Розширюючи використання фотодетекторів графена в майбутніх оптичних ресиверів

Еволюція оптичних ресиверів: Графен фотодетектори як дирептивна технологія

Безхрезервований попит на швидкість передачі даних і зниження споживання енергії в оптичних системах зв'язку вводив дослідження в нові матеріали для фотодетекторів. Звичайні фотодетектори на основі напівпровідників III-V або німецького натрію досягали експлуатаційних плато, зокрема, з точки зору пропускної здатності, спектрального діапазону, і гнучкості інтеграції. Графен, двовимірний матеріал, що складається з одного атомного шару вуглецю, виявився як трансформативна платформа для наступних електромагнітних ресиверів. Його виняткова рухливість перевізника, розширеннясмуговий поглинання, і сумісність з існуючими напівпровідниковими процесами, робить його переконливим кандидатом для ультрафісного, високочутливого фотое фотоекції.

Розуміння унікальних оптоелектронних властивостей графена

Графен має структуру смуги нульового бенгапа на точки Dirac, що дозволяє поглинання фотонів від УФ до терагерцових частот. Коефіцієнт поглинання становить приблизно 2,3% за шар для видимого світла, скромний порівняно з традиційними напівпровідниками, але можливість укладати шари або інтегрувати з плазмодинамічними і хвилеводними структурами може компенсувати. Земельно, графен експонує надзвичайно високу рухливість носія, що перевищує 200,000 см2/V·s у знебочених зразках, перекриття ультрафісних фоторепонденцій в пікосекундному діапазоні. Крім того, його механічна гнучкість і оптичнальність (над 97% за шар) дозволяють безшовні гнучко-перемиті, що забезпечують гнучкі інтеграцію, що забезпечують гнучкі, що забезпечують гнучкі приймачі, що забезпечують гнучкі, що забезпечують гнучкі приймачі, що забезпечуються, що забезпечують гнучкі приймачі, що забезпечують гнучкі приймачі, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечують гнучкі, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечуються

Ключові показники ефективності: чуйність, пропускна здатність та шум

Для будь-якого фотодетектора, який використовується в оптичному ресівері, триметри домінують системний дизайн: чуйність (A / W), пропускна здатність (Hz), і шум еквівалентна потужність (NEP). Фотодетектори графена (GBPDs) показали внутрішньоінтризичні смуги за 100 ГГц, що перевершують багато звичайних детекторів. Однак чуйність в стійкому графені обмежується низькою ефективністю поглинання (на більшість ~6% для декількох шарів графен) і швидким рекомбінацією фотогенерованих носіїв. Для цього дослідники розробили гібридні детектори, які такі як фотопровід, аблетометричні ефекти.

Parameter	Typical Graphene Detector	Conventional (InGaAs/Ge)
Responsivity (A/W)	0.001 – 1 (without gain)	0.5 – 1.0
Bandwidth (3dB)	50 – 200 GHz	10 – 60 GHz
Dark Current	Low (μA scale)	Low to moderate
Spectral Range	UV to THz	Typically 900-1700 nm
Temperature Range	Broad (cryogenic to 400K)	Limited by material

Архітектура графен-Барсованих фотодетекторів для оптичних ресиверів

Кілька архітектурних елементів пристрою були демонстровані, кожен з специфічних торгових марок, придатних для різних приймачів. До найбільш поширених конструкцій відносяться фотопровідні детектори, фотодіоди з вбудованими полями (наприклад, метал-графен-метал, графен- p-n junctions), а також фототрансістори. Більш розширені конфігурації інтегрують графен з плазмонними антенами, метаматеріалами або мікродоступами для підвищення світлого поглинання та індивідуального спектрального реагування.

Метал-Графен-Металь (МГМ) Фотодетектори

На фотодетекторах МГМ графен канал з'єднує дві металеві контакти. Шотки бар'єр на металево-графеновому інтерфейсі створює вбудоване електричне поле, яке відокремлює фотогенеровані електрон-холеми пар. Асиметричні бар'єри виробляють фотострум навіть при нульових зсувах, забезпечуючи низький темно-східний і високу чутливість при низьких відключах. Ці детектори прості у виготовленні за допомогою стандартної ліфографії і сумісні з фотоніками кремнію. Однак низьке поглинання все ще обмежує загальну ефективність. Інтеграція з оптичними хвилеводами, де світло пропагує по графенному шару, може збільшити довжину поглинання і чувність.

Графен-Сільник гібридні фотодетектори

Комбінація графена з традиційними фотодіодними важільми кремнію, що забезпечує високу швидкість носіїв графена. У графен-симфонічному фотодіоді графен виступає як прозорий провідник, так і фотоактивний шар. Вбудований потенціал на графен-Сі ефективно відокремлені носії, що досягають внутрішньої квантової ефективності перевищує 30% і час реагування нижче 20 с. Ці пристрої перспективні для монолітної інтеграції оптичних ресиверів на платформах CMOS, хоча ретельна інженерія якості інтерфейсу є важливим для мінімізації темного струму і пінінгу рівня Фермі.

Плазмоно розширені детектори графена

Для вирішення низького поглинання дослідники мають з малюнком металеві наноструктури (наприклад, наноантени, решітки) на графен для концентрування випадкових світла в субхвильових обсягах, різко підвищуючи місцеве поле і тим самим ефективність поглинання. Плазмонійне підвищення може підвищити ефективність чуйності на 10-100 × при підтримці високої смуги, оскільки підвищення в першу чергу в оптичному поглинання, не динаміки носія. Наприклад, масиви золотої антени або срібних нанородів показали, щоб поглинати до 70% випадаючого світла в моношаровому графі. Такі конструкції особливо підходять для щільних хвильових поділів, де кілька разів перекидається (ДМДМДМДМДМДМД

Пляшки продуктивності та сучасні напрями досліджень

Незважаючи на швидке лабораторне прогрес, деякі виклики повинні бути адресовані перед GBPDs можуть замінити існуючі технології в комерційних оптичних ресиверів. Основне питання залишається торгово-офісом між поглинанням і пропускною здатністю: збільшити поглинання, зазвичай повинен збільшити площу пристрою або використовувати кілька шарів, що збільшує ємність і зменшує пропускну здатність. Гібридні підходи, такі як експлуатація графен унікальна здатність розмістити плазмонні поляризони, може декупувати ці, але вимагають точного нанопатернування і передових методів виготовлення.

Low light поглинання (≤2.3% за моношаровий) залишається фундаментальним лімітом; багатошаровий графен набирає поглинання, але вводить міжшарове розсіювання, що зменшує рухливість носія.
Large-scale синтез високоякісного, рівномірного графена через хімічну депозицію пар (CVD) ще стикаються питання, як зернові межі, зморшки, забруднення, які деградують продуктивність пристрою.
Інтеграція з діелектричними майданчиками (наприклад, кремнієвий нітрид, кремнієво-інсулятор) вимагає оптимальних методів передачі і акапсуляції для збереження інтринінових властивостей графена.
Thermal management стає критичним у високопотужних оптичних ресиверів з теплопровідності графена є високою, але її невелика теплоємність атома може викликати швидке локальне опалення під інтенсивним безперервним підсвічуванням хвилі.

Останні дослідження показали перспективні рішення. Наприклад, 2018 папір в Натура Фотоніки] повідомляв графен фотодетектор, інтегрований з кремнієвим нітридним хвилеводом, що досягає 0,5 A / W чуйності та 50 Ггц пропускної здатності. Інший підхід від IEEE Journal of Selected Themes in Quantum Electronics] показали графен-органічну гетероструктуру з чутливістю вище 10 A / W в ближній інфрачервоній, хоча б МГц.

Майбутнє Outlook для Graphene Photodetectors в оптичних ресиверів

В майбутньому, роль GBPD в майбутньому оптичних ресиверів здається впевненою, але шлях до комерціалізації вимагає вирішення проблем з технологічними та системними рівнями інтеграції. Най ймовірнішим початковим розгортанням буде в швидкісних короткочасних міжключах (<1 км), таких як ті, які використовуються в дата-центрах, де щільність пропускної здатності та енергія на біт є параmount. Тут потенціал графена для нульової роботи (еламінування живлення) та ультракомпактний слід пропонує безпосередні переваги. Тим часом довгогаульсові та когерентні ресивери можуть вперше прийняти GBPD у збалансованих конфігураціях, де є критичним загальний відмов та низький шум.

За традиційною оптичною клітковиною, графен фотодетектори відкриті двері до нових додатків: інтегровані фотонічні схеми на гнучких підкладках, зносні монітори для здоров'я з використанням оптичних датчиків серцевого ритму, і навіть систем візуалізації Terahertz для безпеки і неруйнівного тестування. Поєднання механічної гнучкості графена і швидкісної продуктивності дозволяє конформовані оптичні ресивери, які можуть бути прикріплені до вигнутих поверхонь або вбудованих в текстиль.

Дорожня карта від лабораторії до Fab

Кілька компаній та дослідницьких консорціацій активно працюють на масштабованому графеновому виробництві та інтеграції пристроїв. Програма «Форсування» Європейського Союзу прискорила промислові партнерські відносини, а також останні демонстрації вафельно-масштабного CVD графена з електронною якістю, що порівняно з застарілими зразками, свідчать про те, що виготовлення глухих може бути подолати. Після досягнення надійного перенесення та допінгу, графенові фотодетектори можуть ввести пілотне виробництво протягом наступних п'яти років.

Для всебічного огляду стану мистецтва 2021 огляд Натурні комунікації]] забезпечує відмінний огляд фотоніків графена та його перспектив. Крім того, Journal of Materials Chemistry C опублікував декілька робіт, зокрема, на фотодетекторській інтеграції з CMOS Back-end-of-line.

Висновок

Графен-на основі фотодетекторів є парадигмом перемикання для оптичного ресивера дизайну, що переміщаються за межі матеріалів, що обмежуються звичайними напівпровідниками. З внутрішньоінтризивними перевагами у швидкості, спектрального діапазону, і гнучкості інтеграції, вони поміщені для включення системи зв'язку наступного покоління, які швидше, більш енергоефективні, і більш адаптовані. Хоча суттєві інженерні проблеми залишаються, зокрема, навколо ефективності поглинання і виробничої масштабності, темпи прогресу в матеріалах науки і приладобудування, говорить про те, що перші комерційні фотодетектори для оптичних ресиверів прибудуть протягом цього десятиліття. Їх вплив буде відчуватися не тільки в швидкісних дата-центрах, але і в технічних, але і в складних областях, де потрібна гнучка вагах, де потрібна, де потрібна, де потрібна, де потрібна, де потрібна гнучка, де потрібна гнучка, де потрібна гнучка, де потрібна, де потрібна, де потрібна гнучка, де потрібна гнучка, де потрібна гнучка, де потрібна, де потрібна гнучка, де потрібна гнучка, де потрібна гнучка, де потрібна, де потрібна гнучка, де