[論文レビュー] Photonic Devices Based On Black-Phosphorus and Combined Hybrid 2D nanomaterials

Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2018

2D Materials and Applications参考文献 77被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、テラヘルツ検出器、飽和吸収体、高速フォトダイオードなどの室温応用に向けた高性能な可能性を有するブラックホスホラス（BP）ベースの光デバイスをレビューしている。BPのチューナブルなバンドギャップと強い異方性を活用することで、電荷と光の精密制御が可能となり、次世代オプトエレクトロニクスにおける伝統的なエpitaxial半導体の代替としてスケーラブルで溶液プロセス可能なハイブリッド2次元（2D）ヘテロ構造の実現が示された。

ABSTRACT

Artificial semiconductor heterostructures played a pivotal role in modern electronic and photonic technologies, providing a highly effective mean for the manipulation and control of carriers, from the visible to the far-infrared. Despite the exceptional versatility, they commonly require challenging epitaxial growth procedures due to the need of clean and abrupt interfaces, which proved to be a major obstacle for the realization of room-temperature (RT), high-efficiency devices, like source, detectors or modulators. The discovery of graphene and the related fascinating capabilities have triggered an unprecedented interest in devices based on inorganic two-dimensional (2D) materials. Amongst them black-phosphorus (BP) recently showed an extraordinary potential in a variety of applications across micro-electronics and photonics. With an energy gap in-between the gapless graphene and the larger gap transition metal dichalcogenides, BP can form the basis for a new generation of high-performance photonic devices that could be engineered from "scratch" like transparent saturable absorbers, fast photocounductive switch and low noise photodetectors, exploiting its peculiar electrical, thermal and optical anisotropy. This paper will review the latest achievements in black phosphorus-based THz photonics and discuss future perspectives of this rapidly developing research field.

研究の動機と目的

• ブラックホスフォラス（BP）が光デバイス用途に向けたチューナブルで異方性を示す2次元半導体としての可能性を検討すること。
• 従来のエpitaxialヘテロ構造の限界を克服し、スケーラブルな代替手段として溶液プロセス可能な2次元材料を提案すること。
• フォトダイオード、モードラッパー、飽和吸収体を含む、BPベースの光デバイス分野における最近の進展をレビューすること。
• ハイブリッド2次元ヘテロ構造がインターレイヤー工学を通じてデバイス性能を向上させる役割を検討すること。
• 室温で高効率な光デバイスを実現するにあたり、BPおよび2次元材料を用いた主要な課題と今後の研究方向性を同定すること。

提案手法

• BPおよびそのヘテロ構造が光デバイス応用において果たす実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• 遷移金属ジ chalcogenides やグラフェンを含む他の2次元材料と組み合わせたBPの垂直および水平ヘテロ構造に基づくデバイス構造の分析。
• BPにおける電気的・光学的・熱的異方性の評価を通じて、フォトダイオードおよびモードラッパーにおける性能優位性の説明。
• バンド構造工学を用いて、BPベースのヘテロ構造のバンドギャップを可視光から遠赤外周波数帯域にわたってチューニングすること。
• 報告されたBPベースのデバイスにおける感度、検出能、応答時間といったデバイス性能指標の評価。
• スケーラビリティおよび室温動作の観点から、BPベースのデバイスと従来のIII-V族半導体およびグラフェンベースのシステムを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホスフォラスをどのように活用することで、高性能で室温動作可能な光デバイスを実現できるか？
• RQ2 BPの異方性を示す電子的および光学的応答は、グラフェンや他の2次元材料と比較してどのような利点を提供するか？
• RQ3 ハイブリッド2次元ヘテロ構造は、光デバイスにおけるキャリア輸送および光・物質の相互作用をどのように向上させるか？
• RQ4 室温で安定的かつ高効率なBPベースのデバイスを実現するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 統合光デバイス分野において、BPおよび他の2次元材料を用いた今後のデバイス構造はどのようなものと想定できるか？

主な発見

• ブラックホスフォラスは、0.3–2.0 eVのチューナブルで直接バンドギャップを示し、グラフェンと遷移金属ジ chalcogenides の間のギャップを埋める特性を有しており、可視光から遠赤外帯域まで動作可能である。
• BPベースのフォトダイオードは、中赤外帯域で高い感度（最大約100 A/W）と検出能（最大約10^13 Jones）を示し、ナノ秒スケールの高速応答を達成している。
• BP/グラフェンやBP/MoSe2などのハイブリッド2次元ヘテロ構造は、キャリア分離の向上と再結合の低減を示し、デバイス効率の向上に寄与している。
• BPにおける強い面内異方性により、偏光に敏感なフォトダイオードが実現可能となり、統合光デバイス回路における新機能が可能になる。
• BPベースの飽和吸収体は、通信波長帯域でファイバー・レーザーのモードロックを可能にし、ピコ秒未満のパルス生成を実証している。
• 有望な結果が得られているものの、大気中安定性および界面品質の問題が、長期的なデバイス性能およびスケーラビリティに影響を与えている。