Ученые из США создали сверхбыстрый высокопроизводительный фотодетектор на основе графена и кремниевого волновода. Фоточувствительность структуры, произведенной на основе КМОП-техники, в 16 раз превышает лучшие из создававшихся до сих пор графеновых детекторов света. Кроме того, устройство работает в широком диапазоне длин волн излучения – между 1450 и 1590 нм.

Как считают сами исследователи,

предложенный ими детектор может быть идеальным для таких практических приложений, как, к примеру, оптические системы связи со сверхвысокой пропускной способностью.

Как известно, ширина частотной полосы обычных фотоприемников на основе кремния, германия или других полупроводниковых соединений ограничена положением запрещенной зоны для электронов в этих материалах (детектор может фиксировать фотоны с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны для носителей).

Графен не имеет запрещенной зоны, поэтому, в принципе, способен обнаружить фотоны любой длины волны.

Графен представляет собой двумерный лист атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. Данный материал уже в ближайшем будущем может найти применение в самых разных технологических областях. Считается также, что графен в будущем может заменить кремний в качестве основного материала электронной отрасли.

Это возможно благодаря удивительным свойствам графена, к примеру, его чрезвычайно высокой электропроводности.

Графен также имеет большие перспективы в фотонике, поскольку он поглощает практически каждый фотон, генерируя при этом пару носителей заряда: электрон и дырку проводимости, которые в принципе могут быть преобразованы в электрический ток. Но самое важное, что, благодаря тому, что электроны распространяются в графене, практически не испытывая сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки, он может поглощать свет из широкого спектрального диапазона.

Загвоздка в применении графена в фотонике заключается в том, что

данный материал имеет низкую внешнюю квантовую эффективность: менее 3% падающего на него света действительно поглощается. К этой проблеме необходимо прибавить и тот факт, что полезный ток можно извлечь из графена только с помощью устройства, имеющего оптимизированную «ассиметрию» электрических контактов.

Совместная группа ученых из Massachusetts Institute of Technology, IBM и Columbia University (США) в своей последней работе преодолела эти проблемы, скомпоновав оптические волноводы в кремниевых мембранах и двойные слои графена. В рамках созданной ими конструкции фотоны взаимодействуют с графеном даже на расстоянии порядка нескольких десятков микрон, а это означает, что почти 100% падающих фотонов поглощаются.

Таким образом, интегрированный в конструкцию волновод позволяет графену эффективно собирать фотоны и преобразовывать их в электрический ток.

Чувствительность созданного устройства достигает уровня фотодетекторов из германия в кремниевой цепи.

Важно, что значительного повышения чувствительности относительно предыдущих разработок на основе графена удалось добиться без снижения частоты работы устройства (в отличие, к примеру, от предложенных ранее фотодетекторов на основе сочетания графена и квантовых точек).

Кроме того, устройство работает в широкой спектральной полосе. Как отмечают ученые,

разработанный фотодетектор позволяет фиксировать даже фотоны с длиной волны, к примеру, два микрона. Мимо обычного детектора на основе германия такой фотон «полетит» без остановки.

В качестве еще одного полезного свойства нового фотодетектора можно отметить тот факт, что он способен работать без внешнего источника энергии.

Поскольку в будущем ученые ожидают удешевления графена (предполагается, что этот материал должен стать дешевле германия), подобные фотодетекторы можно будет производить в коммерческих масштабах.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Photonics.