[論文レビュー] Strain-Engineered High Responsivity MoTe2 Photodetector for Silicon Photonic Integrated Circuits

Rishi Maiti, Chandraman Patil+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

2D Materials and Applications参考文献 51被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、0.2 eVのバンドギャップ低下をもたらす約4%の引張応力を印加することで、1550 nmで0.5 A/Wの効率的応答を示すひずみ工学的応用によるMoTe2光検出器を実証した。このひずみ工学的手法により、グラフェンベースの検出器と比較して暗電流が100倍低減され、90 pW/Hz^0.5のノイズ等価パワーを達成した。これにより、Cバンドにおけるシリコンフォトニクス集積回路への応用が極めて適していることが示された。

ABSTRACT

In integrated photonics, specific wavelengths are preferred such as 1550 nm due to low-loss transmission and the availability of optical gain in this spectral region. For chip-based photodetectors, layered two-dimensional (2D) materials bear scientific and technologically-relevant properties leading to strong light-matter-interaction devices due to effects such as reduced coulomb screening or excitonic states. However, no efficient photodetector in the telecommunication C-band using 2D materials has been realized yet. Here, we demonstrate a MoTe2-based photodetector featuring strong photoresponse (responsivity = 0.5 A/W) operating at 1550nm on silicon photonic waveguide enabled by engineering the strain (4%) inside the photo-absorbing transition-metal-dichalcogenide film. We show that an induced tensile strain of ~4% reduces the bandgap of MoTe2 by about 0.2 eV by microscopically measuring the work-function across the device. Unlike Graphene-based photodetectors relying on a gapless band structure, this semiconductor-2D material detector shows a ~100X improved dark current enabling an efficient noise-equivalent power of just 90 pW/Hz^0.5. Such strain-engineered integrated photodetector provides new opportunities for integrated optoelectronic systems.

研究の動機と目的

• 通信Cバンド（1550 nm）における効率的な2次元材料ベース光検出器の不足を解消すること。
• ギャップレスのバンド構造に起因する高暗電流を抱える既存の2次元材料（例：グラフェン）の限界を克服すること。
• シリコンフォトニクス波ガイドと適合可能な、高応答かつ低ノイズの光検出器を実現すること。
• MoTe2におけるひずみ工学が、1550 nmでの最適な光検出に向けた電子的性質を調整可能であることを実証すること。

提案手法

• SiN波ガイド基板上に機械的剥離法を用いてMoTe2膜を転写し、約4%の引張応力を印加した。
• ケルビンプローブ力顕微鏡による仕事関数測定を通じて、応力下での0.2 eVのバンドギャップ低下を確認した。
• 歪みを加えたMoTe2フラクチュアを直接シリコンフォトニクス波ガイド上に統合し、1550 nm光のエバネッセント結合を実現した。
• ゼロバイアスおよび逆バイアス条件下での応答度と暗電流を測定し、デバイス性能を評価した。
• 測定された暗電流と応答度をもとに、感度を評価するためのノイズ等価パワー（NEP）を計算した。
• 有限要素解析を用いて、MoTe2におけるひずみ分布とバンドギャップ変調の相関関係を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoTe2におけるひずみ工学によって、1550 nmでの効率的光検出に十分なバンドギャップ低下が達成可能か？
• RQ2 引張応力がMoTe2の仕事関数および電子構造に及ぼす影響は何か？
• RQ3 シリコンフォトニクス波ガイドに統合された歪みを加えたMoTe2光検出器の応答度と暗電流は、それぞれどの程度か？
• RQ4 歪みを加えたMoTe2検出器のノイズ等価パワーは、既存の2次元材料光検出器と比較してどの程度か？
• RQ5 ひずみ工学的応用によるMoTe2光検出器は、シリコンフォトニクス集積回路への統合に適した性能を達成できるか？

主な発見

• 1550 nmで0.5 A/Wの応答度が達成され、Cバンドにおける強力な光応答を示した。
• 約4%の引張応力によってMoTe2のバンドギャップが約0.2 eV低下し、仕事関数測定により確認された。
• ギャップレスのグラフェンベース光検出器と比較して、暗電流が約100倍低減された。
• ノイズ等価パワー（NEP）が90 pW/Hz^0.5に達し、高感度を示した。
• ゼロバイアス条件下でも効率的に動作し、消費電力を最小限に抑えることができた。
• シリコンフォトニクス波ガイドへの統合により、エバネッセント結合とオンチップ適合性が実現された。