[論文レビュー] Two-dimensional Platinum Diselenide Waveguide-Integrated Infrared Photodetectors

Shayan Parhizkar, Maximilian Prechtl+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 81被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、低温度（450 °C未満）での熱的補助変換（TAC）を用いて、シリコン光波道に直接成長させた二次元プラチナジセニド（PtSe2）を用いた波道統合型赤外線フォトレセプタの開発を示した。直接成長法により、波道側面を均一に被覆する平坦でしわのない統合構造と優れた材料品質が実現され、1550 nmで11 mA/Wの応答度と8.4 μs未満の応答時間を達成した。これは、移動式手法に比べて優れた性能を示した。

ABSTRACT

Low cost, easily integrable photodetectors (PDs) for silicon (Si) photonics are still a bottleneck for photonic integrated circuits (PICs), especially for wavelengths above 1.8 ${\mu}$m. Multilayered platinum diselenide (PtSe$_2$) is a semi-metallic two-dimensional (2D) material that can be synthesized below 450${\deg}$C. We integrate PtSe$_2$ based PDs directly by conformal growth on Si waveguides. The PDs operate at 1550 nm wavelength with a maximum responsivity of 11 mA/W and response times below 8.4 ${\mu}$s. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) in the wavelength range from 1.25 ${\mu}$m to 28 ${\mu}$m indicates the suitability of PtSe$_2$ for PDs far into the infrared wavelength range. Our PtSe$_2$ PDs integrated by direct growth outperform PtSe$_2$ PDs manufactured by standard 2D layer transfer. The combination of IR responsivity, chemical stability, selective and conformal growth at low temperatures, and the potential for high carrier mobility, make PtSe$_2$ an attractive 2D material for optoelectronics and PICs.

研究の動機と目的

• シリコン光集積回路向けに低温度で統合可能な赤外フォトレセプタの開発。
• 広帯域赤外応答を示す2次元遷移金属ジ chalcogenides を用いて、従来の材料の制限を克服すること。
• 波道統合型フォトレセプタにおいて、直接成長法によるPtSe2統合と従来の湿式転写法を比較すること。
• 応答度、応答時間、構造的整合性の観点から、PtSe2ベースのフォトレセプタの性能と材料品質を評価すること。

提案手法

• PtSe2膜は、事前にパターン加工されたスパッタリング法で形成したPtを前駆体として用い、<450 °Cで熱的補助変換（TAC）によりシリコン波道上に直接成長させた。
• 10.8 nmのPt膜が、波道の側面を均一に被覆する27 nmのPtSe2膜に変換された。
• TAC工程中にシリコン波道およびグレーティングカップラーを保護するため、原子層蒸着（ALD）法を用いて90 nmのAl2O3バリア層を堆積した。
• 比較のため、別個のSiO2基板上に7.6、13.7、23.5 nmの厚さのPtSe2膜を成長させ、湿式転写法で波道上に移動させた。
• フォトレセプタは、波道上に50 μm幅、電極間隔5 μmのチャネルを形成し、ロックインアンプターとオシロスコープを用いて電気的および光学的特性を評価した。
• ラマン分光法とAFMを用いてPtSe2の生成と厚さを確認した。また、FTIR分光法により1.25 μmから28 μmまでの広帯域赤外応答を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン波道上に直接、低温度でTAC法を用いたPtSe2の成長は、シリコンフォトニクス向けに高性能で均一なフォトレセプタを実現できるか？
• RQ2 湿式転写法に比べ、直接成長法によるPtSe2フォトレセプタの応答度と応答時間の性能はどのように異なるか？
• RQ3 PtSe2は1.25–28 μmの範囲でどのように広帯域赤外応答を示し、長波長帯域検出にどのように寄与するか？
• RQ4 特に波道エッジ部において、直接成長法は湿式転写法に比べて界面欠陥や応力の低減をどの程度達成できるか？
• RQ5 ラマン分光法およびAFM分析により確認されたPtSe2の厚さと結晶性は、デバイス性能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 直接成長によるPtSe2フォトレセプタは、1550 nmで最大11 mA/Wの応答度を達成し、湿式転写法に比べ顕著に優れた性能を示した。
• 応答時間は8.4 μs未満であり、高帯域幅応用に適した高速動作を示した。
• フーリエ変換赤外分光法（FTIR）により、1.25 μmから28 μmまでの広帯域赤外吸収が確認され、中赤外および長波長赤外帯域検出への適性が示された。
• ラマン分光法により特徴的なEg（177 cm⁻¹）およびA1g（206 cm⁻¹）モードが観測され、ピークシフトと強度比の変化から多層構造のPtSe2形成が示された。
• AFM測定により、直接成長サンプルでは波道上に均一で平坦なPtSe2被覆が確認され、しわや空隙が存在しなかった。これは湿式転写サンプルとは対照的であった。
• IV測定では低電圧領域でほぼオミクス的挙動（直線的I-V曲線）を示したが、高電圧領域で偏差が生じ、PtSe2/電極界面にショットキー障害が形成されていることが示された。