Nature Nanotechnology：用于硅光子集成电路的碲化钼基发光二极管和光电探测器

【引言】

光子器件目前的挑战在于开发高速、节能、集成的光通信设备，用于处理高速运算系统的互联瓶颈。但是，在光源和光电探测器方面还存在着挑战。常用的光源包括基于III-V族材料的一个或几个片外或晶圆贴片激光器，但目前系统架构研究表明在发射机位置直接调节光源具有一定的优势。在硅光子处理器中最先进的光电探测器基于锗，但是额外锗的生长会增加系统成本。新兴的二维过渡金属的硫族化合物（TMDs）为光学互联元件提供了一种新的可能，通过后端可以将这些光学互联元件与硅基光子器件、互补型金属氧化物半导体处理工艺（CMOS）相结合。

【成果简介】

麻省理工学院的Ya-Qing Bie, Pablo Jarillo-Herrero 教授（共同通讯作者）于10月23日在Nature Nanotechnology上发表了题为“A MoTe2-based light-emitting diode and photodetector for silicon photonic integrated circuits”的研究论文，报道了带有静电分离栅配置的MoTe2基的横向P-N结，这种配置可以有多样化的功能，包括晶体管、发光二极管和光电探测器，可以与硅基光子晶体波导管集成。

【图文导读】

图1：波导管集成的LED和光电探测器设计

(a)LED模式（上），来自于P-N结发射出的光通过波导并且在光栅耦合器被耦合。光电探测模式（下），入射光通过光栅耦合器被耦合进波导并且被P-N结检测。

(b)硅基光子晶体波导顶端密封的双分子层MoTe₂ P-N结的截面示意图。分离的石墨栅极控制MoTe₂中载流子浓度，两个栅极的距离为400μm，氮化硼作为MoTe₂顶端的介电层，厚度为80nm。连接着铬/金导线的薄石墨片作为源和漏电极。

(c)通过三维时域有限差分模拟电场强度的横截面。利用封装在氮化硼内部的光子晶体波导顶端10nm位置的y-极化偶极子源模拟P-N结发出的光与波导的耦合。

(d)器件的显微图像。白色虚线限定了双分子层MoTe₂薄片。粉红色线为光子晶体波导，边缘黑色为两个光栅耦合器。图片内的黑色线是为了避免短路刻蚀的槽。

图2：室温下栅控双分子层MoTe₂ P-N结电性能

(a)性能范围内，在不同掺杂等级下的I_ds-V_ds曲线。栅压为±30V。

(b)紫色线和绿色线分别为为PN结和NP结的∣I_ds∣-V_ds 的半对数曲线。

(c)固定偏压V_ds=1V下，流经器件的电流∣I_ds∣作为V_lg（左栅压）和V_rg（右栅压）的函数。

(d)固定偏压V_ds=-1V下，流经器件的电流∣I_ds∣作为V_lg和V_rg的函数。

(e)在V_g=V_lg=V_rg的同时扫频下，(c)(蓝色线)和(d)(黄色线)的∣I_ds∣对角线切割曲线。

(f)(c)(蓝色线)和(d)(黄色线)的削减非对角线表明电流∣I_ds∣作为非对称栅压V_j=(V_lg-V_rg)/2的函数依懒性

图3：双分子层MoTe₂-硅波导耦合器件的光性能

(a)室温和6K的温度下，双分子层MoTe₂薄片的光致发光和MoTe₂的P-N结的场致发光光谱。在偏压V_ds=2V下,P-N结的栅压为相反极性的V_lg=8V，V_rg=8V。

(b)在6K温度时，双分子层的MoTe₂的光致发光强度作为栅压的函数V_g=V_lg=V_rg。电荷中性点在V_CNP=0.8V。(a),(b)中介电层氮化硼的厚度为35nm。

(c)室温下的场致发光图像覆盖到了器件的伪彩色光学图像的上面。来自光栅耦合器的两个额外放射点表明光学与波导的耦合。

(d)MoTe₂转移前后波导的传输，其中黄色线和绿色线分别为转移前与后。蓝色线为光栅耦合器的放射谱，对于其他的双分子层器件，顶端和底端氮化硼的厚度分别为80和100nm。

图4：集成了双分子层MoTe₂ NP结的硅波导室温下光电流响应

(a)在V_lg=-V_rg=15V,光栅耦合器的入射激光功率在0-19μW下，半对数范围内I_ds-V_ds的拟合曲线。

(b)不同激光功率下，短路光电流I_sc (V_ds=0V）。

(c)0偏压下，光电流的开关随着调制激光激发P-N结闪烁（分别为高和低信号）

(d)波导集成光探测器的波长依赖响应。

【小结】

研究结果展示了发光二极管与具有硅光子晶体波导技术的双分子层MoTe₂ P-N结光电探测器的集成。TMD发光二极管集成到硅光子器件可以实现点对点光学链接，此外，通过将TMD增益材料与光子晶体纳米腔集成可以使窄带激光器实现。窄带激光器可与波导耦合进一步提高光耦合效率并允许芯片波导分多路复用。考虑到2维范德维尔斯材料的快速发展，可以预期新颖的功能和更好的性能。例如，层间激子发射和静电门控效应为发射波长提供额外的协调能力，异结构的使用可以实现激子近红外(NIR)范围内的发射，为光的发射提供更有效的活性层，通过与大带宽的石墨烯调制器集成，可以期待更高速度的数据通信。此外，研究表明对于点对点连接的所有光学元件可以使用2D TMD器件转移到其他被动光子集成电路。研究强调硅基波导层不是唯一的选择。该篇文章报道的方法与被动波导层兼容，在大多数CMOs工艺的顶层成为可能，例如氮化硅。简易集成在广泛的电子处理器和存储器，具有极大的潜能简化计算和传感系统中高速互联的设计。

文献链接：Bie Y Q, Heuck M, Grosso G, et al. A MoTe2 based light emitting diode and photodetector for silicon photonic integrated circuits[J]. Bulletin of the American Physical Society, 2017, 62.

本文有材料人编辑部赵春林编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！