Los circuitos integrados fotónicos (PIC) usan fotones como portadores de información y se espera que resuelvan los problemas de cuello de botella de los chips microelectrónicos en términos de velocidad, consumo de energía y densidad de integración con sus ventajas de velocidad de transmisión ultra alta, retraso bajo y diafonía antielectromagnética. . Son de importancia clave para promover avances en tecnología microelectrónica, tecnología de información cuántica y tecnología de microdetección en la "era posterior a Moore".

Impulsados ​​por la aplicación de la tecnología de la información, los chips integrados fotónicos (PIC) han logrado un gran progreso. Por ejemplo, los PIC de silicio son compatibles con la tecnología CMOS madura para la producción a gran escala y de bajo costo; Los PIC de nitruro de silicio podrían tolerar una potencia óptica moderadamente alta y grandes errores de fabricación; Los PIC de niobato de litio podrían lograr modulaciones electroópticas perfectas con bajo voltaje y alta linealidad.

Sin embargo, una de las desventajas de estos PIC es la integración monolítica de guías de onda y fotodetectores con un solo material. Para soportar la transmisión de luz en la guía de ondas, los materiales PIC no pueden absorber la señal óptica, lo que hace imposible realizar el fotodetector integrado de un solo material. Para resolver esto, se han implementado heterointegraciones de materiales a granel absorbentes (como Ge, semiconductores compuestos III-V, etc.) en PIC. Sin embargo, esto aún presenta desafíos abiertos, como costos elevados, procesos de fabricación complicados y problemas de interfaz de materiales.

Recientemente, los materiales bidimensionales (2D) han surgido como un atractivo material de absorción de fotones para fotodetectores integrados en chips. Los materiales 2D no tienen enlaces colgantes en la superficie, lo que elimina las restricciones de desajuste de red para heterointegrarlos con PIC. La familia de materiales 2D tiene una rica variedad de propiedades electrónicas y ópticas, que incluyen grafeno semimetálico, nitruro de boro aislante, dicalcogenuros de metales de transición semiconductores y fósforo negro. 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 Light:Science &Application , a research group, 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. 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.

Also, 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 cumbersome processes such as photolithography. This also greatly simplifies the fabrication process of the device and reduces the fabrication cost of the device, avoiding the contamination of the device interface by processes such as photolithography, which greatly improves the performance of the device. + Explora más

2-D-based single photon emitters integrated with CMOS-compatible silicon nitride waveguides