Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) gebruiken fotonen als informatiedragers en zullen naar verwachting de knelpunten van micro-elektronische chips oplossen in termen van snelheid, stroomverbruik en integratiedichtheid met hun voordelen van ultrahoge transmissiesnelheid, lage vertraging en anti-elektromagnetische overspraak . Ze zijn van cruciaal belang voor het bevorderen van doorbraken in micro-elektronicatechnologie, kwantuminformatietechnologie en microdetectietechnologie in het "post-Moore-tijdperk".

Gedreven door de toepassing van informatietechnologie hebben fotonische geïntegreerde chips (PIC's) grote vooruitgang geboekt. Silicium PIC's zijn bijvoorbeeld compatibel met de volwassen CMOS-technologie voor goedkope en grootschalige productie; Siliciumnitride PIC's kunnen een matig hoog optisch vermogen en grote fabricagefouten tolereren; Lithiumniobaat PIC's zouden perfecte elektro-optische modulaties kunnen bereiken met een lage gestuurde spanning en hoge lineariteit.

Een van de handicaps in deze PIC's is echter de monolithische integratie van golfgeleiders en fotodetectoren met een enkel materiaal. Om de lichttransmissie in de golfgeleider te ondersteunen, kunnen de PIC-materialen het optische signaal niet absorberen, waardoor het onmogelijk is om de geïntegreerde fotodetector uit één materiaal te realiseren. Om dit op te lossen zijn hetero-integraties van absorberende bulkmaterialen (zoals Ge, III-V samengestelde halfgeleiders, enz.) op PIC's geïmplementeerd. Dit biedt echter nog steeds openstaande uitdagingen, zoals hoge kosten, gecompliceerde fabricageprocessen en materiële interfaceproblemen.

Onlangs zijn tweedimensionale (2D) materialen naar voren gekomen als een aantrekkelijk foton-absorptiemateriaal voor chip-geïntegreerde fotodetectoren. 2D-materialen hebben geen bungelende bindingen aan het oppervlak, wat de beperkingen van de rooster-mismatch elimineert om ze te hetero-integreren met PIC's. De familie van 2D-materialen heeft een rijke verscheidenheid aan elektronische en optische eigenschappen, waaronder semi-metalen grafeen, isolerend boornitride, halfgeleidende overgangsmetaal dichalcogeniden en zwarte fosfor. 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. + Verder verkennen

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