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Waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector at telecom wavelengths with high speed and high responsivity.
Nature Nanotechnology ( IF 38.1 ) Pub Date : 2020-02-03 , DOI: 10.1038/s41565-019-0602-z Nikolaus Flöry 1 , Ping Ma 2 , Yannick Salamin 2 , Alexandros Emboras 2 , Takashi Taniguchi 3 , Kenji Watanabe 3 , Juerg Leuthold 2 , Lukas Novotny 1
Nature Nanotechnology ( IF 38.1 ) Pub Date : 2020-02-03 , DOI: 10.1038/s41565-019-0602-z Nikolaus Flöry 1 , Ping Ma 2 , Yannick Salamin 2 , Alexandros Emboras 2 , Takashi Taniguchi 3 , Kenji Watanabe 3 , Juerg Leuthold 2 , Lukas Novotny 1
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Intensive efforts have been devoted to the exploration of new optoelectronic devices based on two-dimensional transition-metal dichalcogenides (TMDCs) owing to their strong light-matter interaction and distinctive material properties. In particular, photodetectors featuring both high-speed and high-responsivity performance are of great interest for a vast number of applications such as high-data-rate interconnects operated at standardized telecom wavelengths. Yet, the intrinsically small carrier mobilities of TMDCs become a bottleneck for high-speed application use. Here, we present high-performance vertical van der Waals heterostructure-based photodetectors integrated on a silicon photonics platform. Our vertical MoTe2-graphene heterostructure design minimizes the carrier transit path length in TMDCs and enables a record-high measured bandwidth of at least 24 GHz under a moderate bias voltage of -3 V. Applying a higher bias or employing thinner MoTe2 flakes boosts the bandwidth even to 50 GHz. Simultaneously, our device reaches a high external responsivity of 0.2 A W-1 for incident light at 1,300 nm, benefiting from the integrated waveguide design. Our studies shed light on performance trade-offs and present design guidelines for fast and efficient devices. The combination of two-diemensional heterostructures and integrated guided-wave nano photonics defines an attractive platform to realize high-performance optoelectronic devices, such as photodetectors, light-emitting devices and electro-optic modulators.
中文翻译：
波导集成范德华异质结构光电探测器，具有高速和高响应度的电信波长。
由于二维过渡金属二硫属化物（TMDCs）具有很强的光物质相互作用和独特的材料特性，因此人们致力于探索新型光电器件。特别是，具有高速和高响应性能的光电探测器对于大量应用（例如在标准化电信波长下运行的高数据速率互连）具有极大的兴趣。然而，TMDC 固有的小载流子迁移率成为高速应用使用的瓶颈。在这里，我们展示了集成在硅光子学平台上的高性能垂直范德华异质结构光电探测器。我们的垂直 MoTe2-石墨烯异质结构设计最大限度地减少了 TMDC 中的载流子传输路径长度，并在 -3 V 的中等偏压下实现了至少 24 GHz 的创纪录的测量带宽。应用更高的偏压或使用更薄的 MoTe2 薄片可提高带宽甚至到 50 GHz。同时，得益于集成波导设计，我们的器件对 1,300 nm 的入射光达到了 0.2 A W-1 的高外部响应度。我们的研究揭示了性能权衡，并提出了快速高效设备的设计指南。二维异质结构和集成导波纳米光子学的结合定义了一个有吸引力的平台来实现高性能光电器件，例如光电探测器、发光器件和电光调制器。
更新日期：2020-02-03
中文翻译：
波导集成范德华异质结构光电探测器，具有高速和高响应度的电信波长。
由于二维过渡金属二硫属化物（TMDCs）具有很强的光物质相互作用和独特的材料特性，因此人们致力于探索新型光电器件。特别是，具有高速和高响应性能的光电探测器对于大量应用（例如在标准化电信波长下运行的高数据速率互连）具有极大的兴趣。然而，TMDC 固有的小载流子迁移率成为高速应用使用的瓶颈。在这里，我们展示了集成在硅光子学平台上的高性能垂直范德华异质结构光电探测器。我们的垂直 MoTe2-石墨烯异质结构设计最大限度地减少了 TMDC 中的载流子传输路径长度，并在 -3 V 的中等偏压下实现了至少 24 GHz 的创纪录的测量带宽。应用更高的偏压或使用更薄的 MoTe2 薄片可提高带宽甚至到 50 GHz。同时，得益于集成波导设计，我们的器件对 1,300 nm 的入射光达到了 0.2 A W-1 的高外部响应度。我们的研究揭示了性能权衡，并提出了快速高效设备的设计指南。二维异质结构和集成导波纳米光子学的结合定义了一个有吸引力的平台来实现高性能光电器件，例如光电探测器、发光器件和电光调制器。
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