Light:戴道锌 & 倪振华 | 高性能硅-石墨烯混合等离激元波导光电探测器
图片来源:interferencetechnology
撰稿 | 戴道锌
导读
研究背景
硅基光电子具有CMOS兼容、高集成度、可大规模集成等突出优点,已成为集成光学领域新兴的主流技术,在1.31/1.55 μm近红外波段光通信/互联等领域发挥重要作用。
近年来,硅基光电子正不断向2 μm及更长波段(中红外)推进,以满足未来光通信及先进光传感等重大需求。
因此亟需发展各类新波段的高性能硅基光电子器件,作为核心器件的光电探测器一直备受关注。
然而,传统半导体光电材料往往工作波段受限、工艺难以兼容等问题。
以石墨烯为代表的二维材料为解决这一难题提供了重要途径。特别是,其可调带隙使之具有宽光谱吸收特性,且避免了晶格失配/热膨胀失配等工艺问题。
而将石墨烯与硅纳米光波导相结合,可通过延长作用距离来增强光-石墨烯相互作用。
因此,硅-石墨烯波导光电探测器倍受关注且已取得系列进展,但仍需进一步研究以提升其响应度及响应速度等方面性能。
创新研究
在论文中,研究者提出了一种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导,采用超薄超宽硅脊型芯区结构,通过其模场调控,获得石墨烯光吸收增强的同时有效降低了金属吸收损耗,进而实现了具有高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器。
图1. 硅-石墨烯混合等离激元波导光电探测器
(a)器件结构原理示意图
(b)实物显微镜图
(c)SEM图
(d)硅-石墨烯混合等离激元波导截面示意图
而在水平方向,采用超宽硅脊结构以显著减小金属引入的光吸收,从而允许引入较宽金属电极以获得较小的金属-石墨烯接触电阻,进而有利于获得更高响应速度。
例如,对于2μm波段(单层石墨烯),仅需50 μm长度即可实现68.6 %光吸收率;
对于1.55μm波段,则仅需20 μm长度即可实现54.3%光吸收率。
该论文还系统分析了其光热电效应、辐射热效应、光电导效应等光电探测机制,阐明了不同偏压及石墨烯掺杂条件下形成的不同主导工作机制。
基于这种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导,研究者实现了具有低偏压、高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器:
在2μm波段,其3dB带宽>20 GHz、响应度达70 mA/W(偏压V=−0.3V,输入光功率P=0.28 mW);
在1.55μm波段,其3dB带宽>40 GHz、响应度达400 mA/W(偏压V=−0.3V,输入光功率P=0.16mW)。
可应用于1.55/2μm波段光通信及光传感等领域。
研究人员简介
担任《Optics Letters》Topical Editor、《IEEE Photonics Technology Letters》Associate Editor、《Optical and Quantum Electronics》Executive Editor、《IEEE JSTQE》客座编辑、《IEEE JLT》客座编辑、《半导体学报》编委会委员、《中国光学》青年编委。
担任中国物理学会光散射专业委员会委员,Scientific Reports以及Frontiers in Condensed Matter Physics编委,《中国光学》青年编委。
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