[논문 리뷰] Strain-Engineered High Responsivity MoTe2 Photodetector for Silicon Photonic Integrated Circuits

Rishi Maiti, Chandraman Patil외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

2D Materials and Applications참고 문헌 51인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 1550 nm에서 0.5 A/W의 감도를 가지며, 밴드 갭을 0.2 eV 감소시키기 위해 약 4%의 인장 응력을 가한 변형 공학을 통해 실현된 MoTe2 광검출기를 제시한다. 이 변형 공학은 그래핀 기반 검출기보다 약 100배 낮은 어두운 전류를 가능하게 하여, 90 pW/Hz^0.5의 노이즈 등가 전력(NP)을 달성함으로써, C밴드에서 실리콘 광학 통합 회로에 매우 적합한 성능을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통신 C밴드(1550 nm)에서 효율적인 2차원 재료 기반 광검출기가 부족한 문제를 해결한다.
• 밴드 갭이 없는 구조로 인해 높은 어두운 전류를 유발하는 기존 2차원 재료, 예를 들어 그래핀의 한계를 극복한다.
• 실리콘 광학 웨이브가이드와 호환 가능한 광검출기에서 고감도 및 낮은 노이즈 성능을 실현한다.
• MoTe2에서의 변형 공학이 1550 nm에서 최적의 광검출 성능을 위한 전자적 성질을 조절할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• SiN 웨이브가이드 플랫폼에 기계적 분리 전달 기술을 사용하여 MoTe2 필름에 약 4%의 인장 응력을 도입하였다.
• 켈빈 프로브 힘 현미경을 이용한 일함수 측정을 통해 응력 조건에서 0.2 eV의 밴드 갭 감소를 확인하였다.
• 응력이 가해진 MoTe2 플레이크를 실리콘 광학 웨이브가이드에 직접 통합하여 1550 nm 빛의 비가시 영역 커플링을 실현하였다.
• 장치 성능 평가를 위해 무전압 및 역방향 전압 조건에서 감도 및 어두운 전류를 측정하였다.
• 측정된 어두운 전류와 감도를 바탕으로 노이즈 등가 전력(NEP)을 계산하여 감도를 평가하였다.
• 유한요소 모델링을 활용하여 MoTe2의 응력 분포와 밴드 갭 조절 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoTe2에서의 변형 공학이 1550 nm에서 효율적인 광검출을 가능하게 하기 위해 충분히 밴드 갭을 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 인장 응력은 MoTe2의 일함수와 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실리콘 광학 웨이브가이드에 통합된 응력이 가해진 MoTe2 광검출기의 최종 감도와 어두운 전류는 어떠한가?
• RQ4 응력이 가해진 MoTe2 검출기의 노이즈 등가 전력은 기존 2차원 재료 기반 광검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 변형 공학이 적용된 MoTe2 광검출기가 실리콘 광학 통합 회로에 통합 가능한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1550 nm에서 0.5 A/W의 감도를 확보하여 C밴드에서 강력한 광전응답을 보였다.
• 약 4%의 인장 응력으로 MoTe2의 밴드 갭이 약 0.2 eV 감소하였으며, 이는 일함수 측정을 통해 확인되었다.
• 밴드 갭이 없는 그래핀 기반 검출기와 비교해 어두운 전류가 약 100배 감소하였다.
• 장치는 90 pW/Hz^0.5의 노이즈 등가 전력(NEP)을 달성하여 고감도를 나타내었다.
• 무전압 조건에서도 효율적으로 작동하여 전력 소모를 최소화하였다.
• 실리콘 광학 웨이브가이드와의 통합을 통해 비가시 영역 커플링과 온칩 호환성을 확보하였다.