Les circuits intégrés photoniques (PIC) utilisent des photons comme supports d'informations et devraient résoudre les problèmes de goulot d'étranglement des puces microélectroniques en termes de vitesse, de consommation d'énergie et de densité d'intégration avec leurs avantages de vitesse de transmission ultra-élevée, de faible retard et de diaphonie anti-électromagnétique . Ils sont d'une importance clé pour promouvoir les percées dans la technologie de la microélectronique, la technologie de l'information quantique et la technologie de la micro-détection dans «l'ère post-Moore».

Poussées par l'application des technologies de l'information, les puces photoniques intégrées (PIC) ont fait de grands progrès. Par exemple, les PIC en silicium sont compatibles avec la technologie CMOS mature pour une production à faible coût et à grande échelle ; Les PIC en nitrure de silicium pourraient tolérer une puissance optique modérément élevée et de grandes erreurs de fabrication ; Les PIC au niobate de lithium pourraient réaliser des modulations électro-optiques parfaites avec une faible tension pilotée et une linéarité élevée.

Cependant, l'un des handicaps de ces PIC est l'intégration monolithique des guides d'onde et des photodétecteurs avec un seul matériau. Pour supporter la transmission lumineuse dans le guide d'onde, les matériaux PIC ne peuvent pas absorber le signal optique, rendant impossible la réalisation du photodétecteur intégré à partir d'un seul matériau. Pour résoudre ce problème, des hétéro-intégrations de matériaux massifs absorbants (tels que Ge, semi-conducteurs composés III-V, etc.) sur des PIC ont été mises en œuvre. Cependant, cela présente toujours des défis ouverts, tels que des coûts élevés, des processus de fabrication compliqués et des problèmes d'interface matérielle.

Récemment, les matériaux bidimensionnels (2D) sont apparus comme un matériau d'absorption de photons attrayant pour les photodétecteurs intégrés à la puce. Les matériaux 2D n'ont pas de liaisons pendantes en surface, ce qui élimine les contraintes d'inadéquation du réseau pour les hétéro-intégrer avec les PIC. La famille des matériaux 2D possède une riche variété de propriétés électroniques et optiques, notamment le graphène semi-métallique, le nitrure de bore isolant, les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs et le phosphore noir. 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. + Explorer plus loin

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