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

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作者
Rishi Maiti,Chandraman Patil,M. A. S. R. Saadi,Ti Xie,Javad G. Azadani,Berkin Uluutku,Rubab Amin,Adrian 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 [Springer Nature]
卷期号:14 (9): 578-584 被引量:159
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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