[论文解读] 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 37

一句话总结

本研究展示了基于二维铂硒化物（PtSe₂）的波导集成红外光电探测器，该材料通过低温（<450 °C）热辅助转化（TAC）方法直接在硅光子波导上外延生长。直接生长方法实现了在1550 nm波长下11 mA/W的响应度和亚8.4 μs的响应时间，性能优于转移法制备的器件，归因于共形、无褶皱的集成结构以及更优异的材料质量。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于硅光子集成电路的低温、可集成红外光电探测器。
• 通过利用具有宽波段红外响应的二维过渡金属二硫属化合物，克服传统材料的局限性。
• 比较直接生长PtSe₂与传统湿法转移方法在波导集成光电探测器中的性能差异。
• 从响应度、响应时间及结构完整性等方面，评估基于PtSe₂的光电探测器的性能与材料质量。

提出的方法

• 通过热辅助转化（TAC）在<450 °C条件下，使用预先图案化的溅射铂作为前驱体，直接在硅波导上外延生长PtSe₂薄膜。
• 10.8 nm厚的铂层转化为27 nm厚的PtSe₂薄膜，均匀覆盖波导侧壁。
• 通过原子层沉积（ALD）在波导和光栅耦合器表面沉积90 nm厚的Al₂O₃阻挡层，以在TAC过程中保护硅波导。
• 为进行对比，在独立的SiO₂基底上生长了厚度分别为7.6 nm、13.7 nm和23.5 nm的PtSe₂薄膜，并通过湿法转移工艺将其转移到波导上。
• 光电探测器通过在波导上制备50 μm宽、电极间距5 μm的沟道结构实现，采用锁相放大器和示波器进行电学与光学表征。
• 拉曼光谱与原子力显微镜（AFM）用于确认PtSe₂的形成并测量厚度，而傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了从1.25 μm到28 μm的宽波段红外响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅波导上通过直接低温TAC方法生长PtSe₂是否能够实现高性能、共形集成的光电探测器，适用于硅光子学？
• RQ2 与湿法转移法制备的器件相比，直接生长的PtSe₂光电探测器在响应度和响应时间方面的性能表现如何？
• RQ3 PtSe₂在1.25–28 μm波段范围内的宽波段红外响应特性如何？其对长波段红外探测的支持能力如何？
• RQ4 与湿法转移相比，直接生长方法在波导边缘处是否显著减少了界面缺陷和应力？
• RQ5 通过拉曼光谱与AFM分析确认的PtSe₂厚度与结晶质量，对器件性能有何影响？

主要发现

• 直接生长的PtSe₂光电探测器在1550 nm波长下实现了最高11 mA/W的响应度，显著优于基于湿法转移的器件。
• 响应时间低于8.4 μs，表明其具备高速运行能力，适用于高带宽应用场景。
• 傅里叶变换红外（FTIR）光谱证实了从1.25 μm到28 μm的宽波段红外吸收，证明其适用于中红外与长波红外探测。
• 拉曼光谱显示特征Eg（177 cm⁻¹）和A1g（206 cm⁻¹）模式，峰位偏移与强度比表明形成了多层PtSe₂结构。
• AFM测量证实，直接生长样品在波导表面实现了均匀、共形的PtSe₂覆盖，无褶皱或空气间隙，而湿法转移样品则存在此类缺陷。
• I-V特性测量显示在低电压下呈现近欧姆接触行为（线性I-V曲线），在高电压下出现偏离，表明在PtSe₂/电极界面形成了肖特基势垒。