[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文展示了一种应变工程的MoTe2光电探测器，在1550 nm波长下实现了0.5 A/W的响应度，通过施加约4%的拉伸应变，使带隙降低0.2 eV。应变工程使暗电流比石墨烯基探测器降低了约100倍，噪声等效功率达到90 pW/Hz^0.5，使其在C波段中非常适用于硅光子集成电路。

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.

研究动机与目标

• 解决在通信C波段（1550 nm）缺乏高效二维材料基光电探测器的问题。
• 克服现有二维材料（如石墨烯）因无带隙能带结构而导致的暗电流过高的局限性。
• 在与硅光子波导兼容的光电探测器中实现高响应度和低噪声。
• 证明在MoTe2中通过应变工程可调节其电子特性，从而在1550 nm波长下实现最佳光电探测性能。

提出的方法

• 在SiN波导平台上的MoTe2薄膜上，采用机械剥离转移技术施加约4%的拉伸应变。
• 通过开尔文探针力显微镜测量功函数，确认应变下带隙降低了0.2 eV。
• 将应变MoTe2薄片直接集成到硅光子波导上，以实现1550 nm光的倏逝耦合。
• 在零偏置和反向偏置条件下测量响应度和暗电流，以评估器件性能。
• 利用测得的暗电流和响应度计算噪声等效功率（NEP），以评估灵敏度。
• 采用有限元建模，将应变分布与MoTe2带隙调制相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoTe2中的应变工程是否足以降低其带隙，从而实现在1550 nm波长下的高效光电探测？
• RQ2 拉伸应变如何影响MoTe2的功函数和电子结构？
• RQ3 在硅光子波导中，应变MoTe2光电探测器的响应度和暗电流分别为多少？
• RQ4 应变工程MoTe2探测器的噪声等效功率与现有二维材料光电探测器相比如何？
• RQ5 应变工程MoTe2光电探测器是否能够实现适用于硅光子集成电路集成的性能？

主要发现

• 在1550 nm波长下实现了0.5 A/W的响应度，证明其在C波段具有强光电响应。
• 约4%的拉伸应变使MoTe2带隙降低了约0.2 eV，该结果通过功函数测量得到证实。
• 与无带隙的石墨烯基探测器相比，暗电流降低了约100倍。
• 该器件实现了90 pW/Hz^0.5的噪声等效功率（NEP），表明其具有高灵敏度。
• 光电探测器在零偏置条件下高效工作，显著降低了功耗。
• 与硅光子波导的集成实现了倏逝耦合和片上兼容性。