Photodétection sur puce : hétérojonctions de matériaux 2D pour la microélectronique de l’ère post-Moore

Photodétecteur à hétérojonction PN de Van der Waals intégré dans un guide d'ondes

Figure 1. Schéma du photodétecteur à hétérojonction PN de Van der Waals intégré dans un guide d’ondes. Crédit : Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS.

Les circuits intégrés photoniques (PIC) utilisent les photons comme supports d’information et se caractérisent par une vitesse de transmission très élevée, un faible retard et une absence de diaphonie électromagnétique. Ces avantages devraient permettre de résoudre les problèmes de goulots d’étranglement des puces microélectroniques en termes de vitesse, de consommation d’énergie et de densité d’intégration. Elle est d’une importance capitale pour promouvoir les percées dans la technologie de la microélectronique, la technologie de l’information quantique et la technologie de la microdétection dans l'”ère post-Moore”.”

Actuellement, sous l’impulsion de l’application des technologies de l’information, les puces intégrées photoniques ont fait de grands progrès. Par exemple, les PIC au silicium sont compatibles avec la technologie CMOS mature pour une production à grande échelle et à faible coût ; les PIC au nitrure de silicium peuvent tolérer une puissance optique modérément élevée et des erreurs de fabrication importantes ; et les PIC au niobate de lithium peuvent réaliser des modulations électro-optiques parfaites avec une faible tension de commande et une linéarité élevée.

Cependant, l’un des handicaps de ces PIC est l’intégration monolithique des guides d’ondes et des photodétecteurs avec un seul matériau. Pour favoriser la transmission de la lumière dans le guide d’ondes, les matériaux du PIC ne peuvent pas absorber le signal optique, ce qui rend impossible la réalisation du photodétecteur intégré à partir d’un seul matériau. Pour résoudre ce problème, des hétéro-intégrations de matériaux absorbants en vrac (comme le Ge, les semi-conducteurs composés III-V, etc.) sur les PIC ont été mises en œuvre. Bien qu’elle présente toujours des défis ouverts tels que les coûts élevés, les processus de fabrication compliqués et les problèmes d’interface des matériaux.

Alignement des bandes de l'hétérojonction PN BP/MoTe2

Figure 2. Alignement des bandes de l’hétérojonction PN BP/MoTe2 à l’état d’équilibre thermique (panneau de gauche) ; image au microscope optique du dispositif fabriqué (panneau de droite). Crédit : Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS.

Récemment, les matériaux bidimensionnels (2D) sont apparus comme un matériau d’absorption de photons attrayant pour les photodétecteurs intégrés dans les puces. Les matériaux 2D n’ont pas de liaisons pendantes en surface, ce qui élimine les contraintes de décalage de réseau pour les hétéro-intégrer avec les PIC. La famille des matériaux 2D présente une riche variété de propriétés électroniques et optiques, notamment des semi-métalliques graphene, insulating boron nitride, semiconducting transition metal dichalcogenides, and black phosphorus. As a consequence, chip-integrated photodetectors operating at various spectral ranges could be constructed by choosing appropriate 2D materials.

In a new paper published in the journal Light Science & Application on April 20, 2022, a research team, led by Professor Xuetao Gan from Key Laboratory of Light Field Manipulation and Information Acquisition, Ministry of Industry and Information Technology, and Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Physical Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, China have reported that integrating van der Waals PN heterojunctions of 2D materials on optical waveguides can provide a promising strategy to realize chip-integrated photodetectors with low dark current, high responsivity, and fast speed.

With the 2D layered structure and no dangling bonds, researchers can stack 2D materials with different properties in different orders by “stacking wood” to form van der Waals heterostructures with atomically flat interfaces. The “arbitrary combination” of van der Waals heterojunctions can not only give the advantages properties of a single material, but also generate novel properties, achieving a leap of 1+1>2, as shown in Figure 1.

In this research, the researchers made full use of natural p-doped BP and n-doped MoTe2 for hetero-stacking, and successfully fabricated an efficient van der Waals PN heterojunction.

Second, since there are no dangling bonds on the surface of 2D materials, compared with traditional semiconductors, 2D materials do not need to consider lattice mismatch when integrating with various photonic integration platforms.

Finally, the preparation of source-drain electrodes can also be integrated on the photonic platform through the “stacking wood” technology and placed on both sides of the material, without the cumbersome processes such as photolithography.

This also greatly simplifies the fabrication process of the device, avoiding the contamination of the device interface in processes such as photolithography, which greatly improves the performance of the device.

Reference: “Chip-integrated van der Waals PN heterojunction photodetector with low dark current and high responsivity” by Ruijuan Tian, Xuetao Gan, Chen Li, Xiaoqing Chen, Siqi Hu, Linpeng Gu, Dries Van Thourhout, Andres Castellanos-Gomez, Zhipei Sun and Jianlin Zhao, 20 April 2022, Light: Science & Applications.
DOI: 10.1038/s41377-022-00784-x

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