Os circuitos integrados fotônicos (PICs) usam fótons como portadores de informação e devem resolver os problemas de gargalo dos chips microeletrônicos em termos de velocidade, consumo de energia e densidade de integração com suas vantagens de velocidade de transmissão ultra-alta, baixo atraso e diafonia anti-eletromagnética . Eles são de importância fundamental para promover avanços na tecnologia de microeletrônica, tecnologia de informação quântica e tecnologia de microssensores na "era pós-Moore".
Impulsionados pela aplicação da tecnologia da informação, os chips fotônicos integrados (PICs) fizeram grandes progressos. Por exemplo, PICs de silício são compatíveis com a tecnologia CMOS madura para produção em larga escala e baixo custo; PICs de nitreto de silício podem tolerar potência óptica moderadamente alta e grandes erros de fabricação; Os PICs de niobato de lítio podem alcançar modulações eletro-ópticas perfeitas com baixa tensão acionada e alta linearidade.

No entanto, uma das desvantagens desses PICs é a integração monolítica de guias de onda e fotodetectores com um único material. Para suportar a transmissão de luz no guia de ondas, os materiais PIC não podem absorver o sinal óptico, impossibilitando a realização do fotodetector integrado a partir de um único material. Para resolver isso, foram implementadas heterointegrações de materiais absortivos a granel (como Ge, semicondutores compostos III-V, etc.) em PICs. No entanto, isso ainda apresenta desafios em aberto, como altos custos, processos de fabricação complicados e problemas de interface de material.

Recentemente, materiais bidimensionais (2D) surgiram como um material atraente de absorção de fótons para fotodetectores integrados a chip. Os materiais 2D não possuem ligações pendentes na superfície, o que elimina as restrições de incompatibilidade de rede para integrá-los com PICs. A família de materiais 2D possui uma rica variedade de propriedades eletrônicas e ópticas, incluindo grafeno semi-metálico, nitreto de boro isolante, dicalcogenetos de metais de transição semicondutores e fósforo negro. Como consequência, fotodetectores integrados em chip operando em várias faixas espectrais podem ser construídos escolhendo materiais 2D apropriados.

Em um novo artigo publicado em 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. + Explorar mais

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