Наноразмерный фотодетектор cможет повысить производительность фотонных схем

Американское Оптическое общество

Фотонные схемы, в которых для передачи сигналов используется свет, по быстродействию значительно превосходят электронные схемы. К сожалению, при этом они имеют большие размеры. Проблема заключается в том, что видимый свет трудно удержать в границах ниже предела, определяемого дифракцией около 200–300 нм. Поскольку размеры электронных полупроводниковых приборов постоянно уменьшаются, это обстоятельство обеспечивает им значительное преимущество, невзирая на меньшее быстродействие.

Ученые из университета Рочестера представили ключевое достижение в уменьшении размеров фотонных приборов, преодолев дифракционный предел, что является необходимым шагом на пути к созданию фотонных схем, конкурентоспособных по отношению к приборам, изготавливаемым на основе полупроводников с использованием современных технологий. Исследователи разработали наноразмерный фотодетектор, в котором для детектирования оптических плазмонов (колебания перемещающихся электронов в границах ниже определяемых дифракцией) применен обычный материал — дисульфид молибдена, и успешно продемонстрировали, что свет может управлять электрическим током при использовании нанопровода из серебра.

Разработка нового прибора является продолжением ранее проведенных исследований, которые показали, что свет может передаваться по серебряному нанопроводу в виде плазмонов и снова излучаться в виде света на другом конце, покрытом хлопьями дисульфида молибдена (MoS2) атомарной толщины. Характеристики переизлученного света определяются в большей степени шириной запрещенной зоны MoS2, нежели длиной волны излучения лазера. Это означает, что плазмоны эффективно перемещают электроны в MoS2 на другой энергетический уровень.

Для того что проверить возможность использования прибора в качестве фотодетектора, исследователи установили серебряный нанопровод, на один конец которого был нанесен слой MoS2, на кремниевую подложку и методом электронно-лучевой литографии нанесли на этот конец металлические контакты. Затем они подсоединили прибор к оборудованию для регулировки его смещения и получили возможность прикладывать напряжение постоянной величины и измерять протекающий через прибор ток.

При облучении конца провода, не имеющего покрытия, лазером его энергия преобразовывалась в плазмоны — это форма электромагнитной волны, которая распространяется благодаря изменению плотности электронов.

Сканируя провод элемент за элементом с помощью лазера (процесс, известный как растровое сканирование), исследователи смогли измерять ток в каждой точке вдоль провода. При этом было установлено, что прибор чувствителен к поляризации входного излучения и дает максимальный отклик при поляризации света, параллельной проводу. Также было установлено, что прибор чувствителен к длине волны возбуждения лазера и его работоспособность ограничивалась на более коротких волнах вследствие неэффективного перемещения плазмонов, а на более длинных волнах — вследствие характерной ширины запрещенной зоны дисульфида молибдена.

В планы группы входит уменьшение потенциального загрязнения при сборке прибора переходом к полностью сухой фиксации проводов и MoS2 на предварительно изготовленные электроды, а также обеспечение более точного управления процессом допирования MoS2, чтобы привнести дополнительное количество носителей зарядов и повысить эффективность приборов.