Введение в фотодетекторы следующего поколения

Фотодетекторы служат критическим интерфейсом между оптическими и электронными доменами в системах связи, переводя модулированный свет в электрические сигналы, которые может обрабатывать электроника нисходящего потока. В современных оптических приемниках производительность фотодетектора непосредственно определяет достижимую скорость передачи данных, чувствительность и динамический диапазон всей линии связи. Традиционные кремниевые фотодиоды, в то время как зрелые и недорогие, сталкиваются с фундаментальными ограничениями в полосе пропускания из-за времени транзита носителя, в чувствительности из-за относительно низких коэффициентов поглощения вблизи края кремниевой полосы и в спектральном покрытии, поскольку они не могут эффективно обнаруживать длины волн за ~ 1,1 мкм. Аналогично, обычные полупроводниковые фотодиоды III-V соединения (например, InGaAs) обеспечивают отличную производительность в ближнем инфракрасном диапазоне, но дороги в изготовлении и трудно интегрировать с основной кремниевой электроникой.

Неустанный спрос на более высокую пропускную способность данных в оптоволоконных сетях (управляемых облачными вычислениями, 5G/6G и потоковым видео высокой четкости) подтолкнул исследователей к изучению новых материальных платформ, которые могут преодолеть эти ограничения. Новые материалы - от атомарно тонких двумерных кристаллов до обработанных раствором перовскитов и проектных квантовых точек - обещают не только расширить диапазон длины волны и повысить отзывчивость, но и обеспечить сверхбыстрое время отклика и гибкие форм-факторы устройств. Эта статья предоставляет всеобъемлющий обзор наиболее перспективных новых материалов для фотоприемников следующего поколения в оптических приемниках, обсуждая их уникальные свойства, архитектуры устройств, проблемы интеграции и перспективы в будущем. Для более широкого контекста по эволюции оптических приемников см. недавний обзор в Природная фотоника .

Ключевые показатели эффективности для оптических приемников фотодетекторов

Перед изучением конкретных материалов важно понять показатели производительности, которые определяют выбор материала для оптических приемников. Как правило, оптимизируются следующие параметры:

  • Ответственность (R): Отношение фототока к падающей оптической мощности (A/W).Высокая отзывчивость снижает требуемую оптическую мощность на приемнике.
  • Bandwidth (f3dB): Частота, при которой отклик фотоприемника падает на 3 дБ. Более большая полоса пропускания поддерживает более высокие битрейты.
  • Темный ток (Iтемный):Ток, текущий в отсутствие света.Низкий тёмный ток имеет решающее значение для высокой чувствительности в условиях низкой освещенности.
  • Шум эквивалентной мощности (NEP): Минимальная обнаруживаемая оптическая мощность на квадратную полосу пропускания корня. Нижний NEP позволяет более слабое обнаружение сигнала.
  • Спектральный диапазон: Интервал длины волны, в течение которого детектор поддерживает полезную чувствительность. Важный для систем мультиплексирования с разделением длины волны (WDM).
  • Время отклика: Постоянная времени восхода/падения фототока. Определяет максимальную скорость символа.

Новые материалы часто превосходят по одному или нескольким из этих показателей, предлагая дополнительные преимущества, такие как механическая гибкость или совместимость с платформами кремниевой фотоники.

Двумерные материалы

Графеновые фотоприемники

Графен, один атомный слой атомов углерода, расположенных в шестиугольной решетке, вызвал огромный интерес к фотодетектированию из-за его исключительных электронных и оптических свойств. Его высокая мобильность несущей (превышая 10 ]5 см / V·s в подвешенных образцах) позволяет ультрабыстрый фотореакция, с полосами пропускания устройства, демонстрируемыми за пределами 500 ГГц. Графен также поглощает свет в чрезвычайно широком спектральном диапазоне - от ультрафиолетового до терагерцового - благодаря его линейной диракоподобной полосовой структуре без пропускания полосы.

Однако слабое поглощение света графеном (~ 2,3% на монослой) представляет собой фундаментальное ограничение для чувствительности. Фотодетекторы на основе нетронутого графена обычно демонстрируют низкую чувствительность (десятки мА / Вт), если они не усилены плазмонными антеннами, резонансными полости или интеграцией с поглощающими слоями. Были изучены различные архитектуры устройств, включая фотопроводящие, фототермические и фотоэлектрические режимы. Металл-графен-металл (MGM) фотодетекторы получают выгоду от допинга, вызванного металлом, и встроенные поля вблизи контактов, но часто страдают от высоких темных токов.

Последние достижения сосредоточены на гибридных графен-квантовых точечных (GQD) фотодетекторах, где коллоидные квантовые точки служат эффективными поглотителями и графеном в качестве канала переноса заряда высокой подвижности. Устройства GQD продемонстрировали способность реагировать, превышающую 10 5 A/W при сохранении наносекундного времени отклика. Всесторонний обзор графеновых фотодетекторов можно найти в Наномасштаб .

Переходные металлические дихалкогениды (TMD)

TMD, такие как MoS2, WS2, MoSe и WSe2 являются слоистыми материалами с прямым разрывом полосы в монослойной форме, обычно в видимом для ближнего инфракрасного диапазона (1.1-2.0 эВ). Этот разрыв полосы обеспечивает сильное взаимодействие света и материи и обеспечивает высокие соотношения включения/выключения в фототранзисторных конфигурациях. Монослойные MoS2 фотоприемники достигли фотоответности ~880 A/W при комнатной температуре при работе в режиме фотосъемки.

Фотодетекторы TMD предлагают несколько преимуществ: они могут быть осаждены на произвольные подложки, включая гибкие полимеры; они проявляют низкие темные токи (~pA) из-за умеренного пропуска диапазона; и они совместимы с гетероструктурой Ван-дер-Ваальса. Укладывая различные TMD — например, MoS 2 — WSe2 типа II гетеропереход — исследователи реализовали сверхбыструю передачу заряда и широкополосный фотореакцию.

Проблемы сохраняются в достижении монослойных пленок большой площади с контролируемой плотностью дефектов. Методы химического осаждения паров (CVD) прогрессировали, но все еще уступают отшелушиваемым хлопьям с точки зрения подвижности носителей. Продолжающаяся работа по инкапсуляции с гексагональным нитридом бора (hBN) и проектирование затворов продолжает продвигать оболочку производительности. Для подробного обсуждения на фотодетекторах на основе TMD см. обзор Materials Today .

Черный фосфор (BP) и другие 2D-элементы

Черный фосфор соединяет разрыв между безразмерным графеном и широкополосным TMD. Его слой-зависимый прямой бандагэп (от ~0,3 эВ навалом до ~2,0 эВ в монослое) охватывает важные ближние и средние инфракрасные спектральные области, важные для оптической связи. Фотодетекторы BP продемонстрировали высокую отзывчивость (~10 ]3 A/W) и быстрое время отклика (~ns) при работе в фотопроводящем режиме. Однако, BP быстро деградирует в условиях окружающей среды из-за окисления, что требует стратегий инкапсуляции. Недавняя работа с функционализацией и hBN-капированием значительно улучшила стабильность. Другие возникающие элементные 2D-материалы, такие как теллурен (2D теллур) также показывают перспективу для обнаружения в среднем инфракрасном диапазоне.

Перовскитные материалы

Металлический галогенид перовскиты

Металлические галогенидные перовскиты с общей формулой ABX3 (A = метиламмоний, формамидиний, цезий; B = свинец, олово; X = галоид) стали основой фотоэлектрических технологий и в настоящее время серьезно исследуются для фотоприемников. Их исключительные оптоэлектронные свойства включают высокие коэффициенты поглощения (>105 см−1), длинные длины диффузии носителей (>1 мкм в поликристаллических пленках) и настраиваемые полосы пропускания по видимой и ближней инфракрасной области спектра при различной композиции галогенида.

Перовскитные фотоприемники могут быть изготовлены с помощью простых методов обработки решений, таких как прядильное покрытие, лезвие-покрытие или струйная печать, предлагая путь к недорогому производству. Ответственность, превышающая 10 5 А/В, была зарегистрирована в устройствах типа фотопроводника из-за эффектов фотопровода, в то время как конфигурации фотодиодов дают высокую полосу пропускания (> 10 МГц) и низкие темные токи. Кроме того, возможность настраивать полосу пропускания для соответствия C-диапазону с эрбиевым легированным волоконным усилителем (EDFA) (1530-1565 нм) с использованием смешанных перовскитов из олова привлекательна для телекоммуникационных приложений.

Стабильность остается основной проблемой: перовскиты деградируют под воздействием влаги, кислорода, тепла и непрерывного света. Инкапсуляция и композиционная инженерия (например, с использованием 2D/3D гибридных структур или полностью неорганических галогенидов цезия) улучшили эксплуатационные сроки службы. Еще одна проблема - токсичность свинца, которая стимулирует исследования перовскитов на основе олова (хотя в настоящее время они имеют более низкую стабильность). Для авторитетного обзора проконсультируйтесь с

Безлидерные варианты перовскита

Для решения проблем токсичности исследователи изучают такие альтернативы, как Cs2AgBiBr6 (двойной перовскит) и перовскиты на основе галогенида висмута. Эти материалы обеспечивают разумную эффективность фотообнаружения с лучшей экологической совместимостью, хотя и с несколько более низкой абсорбцией и мобильностью по сравнению с аналогами на основе свинца. Их роль в будущих коммерческих оптических приемниках будет зависеть от достижения конкурентоспособной отзывчивости и пропускной способности.

Квантовые точки

Коллоидные квантовые точки

Коллоидные квантовые точки (CQD) представляют собой полупроводниковые нанокристаллы, обычно размером 2-10 нм, где квантовое удержание позволяет непрерывно настраивать полосу пропускания путем изменения диаметра частиц. Такие материалы, как PbS, PbSe, HgTe и CdSe CQD, позволяют фотодетектировать от видимого до длинноволнового инфракрасного излучения. Для оптических приемников связи PbS и PbSe CQD особенно актуальны из-за их сильного поглощения в диапазоне 1,0-1,7 мкм.

Квантовые точечные фотоприемники предлагают несколько привлекательных функций: их решение-обработка облегчает недорогое осаждение практически на любой подложке (включая кремний, стекло и гибкий пластик); спектр поглощения может быть точно адаптирован для соответствия конкретным лазерным каналам в системах WDM; и большое соотношение поверхности к объему увеличивает фотопроводящий коэффициент (внешняя квантовая эффективность > 100 %).

В архитектуре устройства наиболее распространенными конфигурациями являются фотодиоды (p-n или Schottky) и фотопроводники. Недавние прорывы включают демонстрацию фотодетекторов на основе CQD с пропускной способностью, превышающей 1 МГц, и детектируемостью > 10 12 Джонса. Однако компромисс между коэффициентом усиления и скоростью сохраняется: фотопроводники с высоким коэффициентом усиления страдают от медленной реакции из-за рекомбинации, опосредованной ловушкой. Комбинирование CQD с транспортными слоями с высокой мобильностью (например, графен, как отмечалось ранее) является многообещающим способом преодоления этого предела.

Эпитаксиальные квантовые точки

Эпитаксиально выращенные квантовые точки (например, самособранные QD InAs/GaAs) широко используются в коммерческих фотоприемниках для среднего инфракрасного диапазона (квантовые инфракрасные фотоприемники — QDIPs). В ближнем инфракрасном диапазоне они предлагают уменьшенный темный ток по сравнению с квантовыми инфракрасными фотоприемниками скважины (QWIPs) из-за трехмерного ограничения. Их интеграция с кремниевой фотоникой через вафельное связывание или прямой рост на подложках Si является активной областью исследований. Высокая стоимость эпитаксиального роста, однако, ограничивает их применение для высокопроизводительных приемников.

Органические полупроводники

Органические полупроводники — конъюгированные полимеры и небольшие молекулы — позволяют печатать фотодетекторы, которые являются легкими, гибкими и потенциально крутыми. Их поглощение может быть настроено молекулярной конструкцией для покрытия видимого и ближнего инфракрасного диапазона (в настоящее время до ~ 1,0 мкм). Для изготовления фотодиодов с внешней квантовой эффективностью > 80% и шумовыми токами до 10 -12 A·Hz -1/2 .

Хотя органические фотоприемники (OPD) сегодня не дотягивают до неорганических аналогов с точки зрения пропускной способности (обычно <1 MHz) and stability, they are being developed for specialized applications such as biomedical imaging and ambient light sensing. New materials like non-fullerene acceptors (e.g., Y6 derivative) have pushed power conversion efficiencies in organic solar cells above 19%, and similar improvements are expected for OPDs. For optical receivers operating at relatively low data rates (e.g., for Internet of Things sensors), organic photodetectors could offer an attractive balance of cost and performance. A comprehensive review is available in ] Передовые материалы ].

Гибридные и гетерогенные интеграционные подходы

Ни один материал не может одновременно удовлетворить все требования к идеальному фотоприемнику — сверхвысокие скорости, сверхнизкий уровень шума, широкий спектральный охват, низкая стоимость и простота интеграции.

Интеграция кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника является доминирующей платформой для интегрированных оптических схем, но сам кремний является плохим поглотителем на телекоммуникационных длинах волн (1,3-1,55 мкм) из-за его косвенного разрыва. Появляющиеся материалы, такие как германий (эпитаксиально выращенный), квантовые точки III-V и 2D-материалы, связываются или выращиваются на волноводах кремния-на-изоляторе (SOI) для обеспечения эффективного фотообнаружения. Например, графен, интегрированный с кремниевыми волноводами, дает отзывчивость около 0,1 A / W на высоких скоростях. Аналогично, дефектоориентированные фотодетекторы с использованием ионно-имплантированного германия могут расширить диапазон обнаружения.

Гибкие и носимые оптические приемники

Спрос на носимые и имплантируемые медицинские устройства стимулировал развитие гибких фотоприемников. Такие материалы, как органические полупроводники, 2D TMD на полиимидных подложках и обработанные раствором перовскитные пленки, позволяют фотоприемникам, которые могут соответствовать изогнутым поверхностям. Эти гибкие приемники имеют решающее значение для таких применений, как оптические мониторы сердечного ритма, умные контактные линзы и узлы интернета вещей. Основными задачами являются достижение высокой механической прочности и стабильной производительности после повторных циклов изгиба.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на быстрый прогресс, перед широким распространением этих новых материалов в коммерческих оптических приемниках стоят несколько препятствий.

  • Стабильность и надежность: Многие новые материалы (перовскиты, черный фосфор, органика) разрушаются в условиях окружающей среды. Достижение надежности телеком-класса (25+ год жизни при повышенных температурах) имеет важное значение.
  • Масштабируемое производство: 2D-материалы требуют больших по площади, без дефектов методов роста, совместимых с CMOS fab-линиями. Перовскит и устройства с квантовыми точками нуждаются в воспроизводимой обработке раствора с жесткой толерантностью к производительности.
  • Высокоскоростная работа: В то время как некоторые материалы (например, графен) демонстрируют чрезвычайно высокую внутреннюю полосу пропускания, практические устройства часто теряют скорость из-за паразитной емкости или задержек RC.
  • Темный ток и снижение шума: Достижение производительности с ограничением на выстрел шума требует подавления темного тока до уровней субпикоампа, особенно в материалах с узкой полосой пропускания, используемых для обнаружения среднего ИК.
  • Интеграция с электроникой: Для полноприемниковых модулей требуется совместная интеграция фотоприемников с схемами усилителей (например, усилителей трансимпеданса в CMOS или BiCMOS).Тепловой бюджет новых материалов может ограничивать интеграцию в бэкэнд-офлайн.

Заглядывая вперед, наиболее перспективные направления включают: (1) дальнейшее развитие гетероструктур Ван-дер-Ваальса (например, графен / ТМД или hBN / BP), которые сочетают в себе лучшие свойства каждого компонента; (2) передовую трап-инжиниринг в квантовых точках и перовскитах для разъединения усиления и скорости; (3) интеграцию новых фотодетекторов с кремниевыми фотонными схемами с использованием методов трансферной печати или микропередачи; и (4) открытие материалов с помощью машинного обучения для прогнозирования оптимальных композиций и структур устройства.

Заключение

Эволюция фотоприемников от элементарных полупроводников до сложных наноструктурированных материалов меняет возможности оптических приемников. Двумерные материалы привносят ультратонкую геометрию и широкополосное покрытие; перовскиты обеспечивают высокую абсорбцию с низкой стоимостью изготовления; квантовые точки обеспечивают точность длины волны; и органические полупроводники обеспечивают гибкие форм-факторы. Каждый класс материалов решает конкретные цели производительности, и их дальнейшее созревание будет иметь решающее значение для будущих сетей связи, требующих все более высоких скоростей передачи данных, чувствительности и энергоэффективности.

Коммерческое развертывание будет зависеть от решения двойных проблем стабильности и масштабируемого производства. По мере устранения этих препятствий мы можем ожидать, что фотоприемники на основе этих новых материалов станут стандартными компонентами в волоконно-оптических приемопередатчиках, оптических звеньях свободного пространства и межсоединениях на чипе. Следующее десятилетие обещает преобразующие достижения в технологии оптических приемников, обусловленные богатой палитрой материалов, которые сейчас находятся в нашем распоряжении.