Strain-engineered high-responsivity MoTe2 photodetector for silicon photonic integrated circuits

光电探测器 响应度 光电子学 光子学 材料科学 应变工程 光功率 光学 物理 激光器
作者
Rishi Maiti,Chandraman Patil,M. A. S. R. Saadi,Ti Xie,Javad G. Azadani,Berkin Uluutku,Rubab Amin,Andrew Briggs,Mario Miscuglio,Dries Van Thourhout,Santiago D. Solares,Tony Low,Ritesh Agarwal,Seth R. Bank,Volker J. Sorger
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:14 (9): 578-584 被引量:248
标识
DOI:10.1038/s41566-020-0647-4
摘要

In integrated photonics, specific wavelengths such as 1,550 nm are preferred due to low-loss transmission and the availability of optical gain in this spectral region. For chip-based photodetectors, two-dimensional materials bear scientifically and technologically relevant properties such as electrostatic tunability and strong light–matter interactions. However, no efficient photodetector in the telecommunication C-band has been realized with two-dimensional transition metal dichalcogenide materials due to their large optical bandgaps. Here we demonstrate a MoTe2-based photodetector featuring a strong photoresponse (responsivity 0.5 A W–1) operating at 1,550 nm in silicon photonics enabled by strain engineering the two-dimensional material. Non-planarized waveguide structures show a bandgap modulation of 0.2 eV, resulting in a large photoresponse in an otherwise photoinactive medium when unstrained. Unlike graphene-based photodetectors that rely on a gapless band structure, this photodetector shows an approximately 100-fold reduction in dark current, enabling an efficient noise-equivalent power of 90 pW Hz–0.5. Such a strain-engineered integrated photodetector provides new opportunities for integrated optoelectronic systems. A strain-induced absorption-enhanced MoTe2-based silicon photonic microring-integrated photodetector is demonstrated, featuring high responsivity of ~0.5 A W–1 at 1,550 nm, with a low noise-equivalent power of 90 pW Hz–0.5.
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