NTT realisiert den weltweit schnellsten vorspannungsfreien Betrieb eines Graphen-Photodetektors

Die NTT Corporation („NTT“) und das National Institute for Materials Science („NIMS“) haben gemeinsam den weltweit schnellsten vorspannungsfreien Betrieb¹ (220 GHz) eines Graphen-Photodetektors (PD) erreicht ². Darüber hinaus hat die durch NTT und das NIMS durchgeführte Forschungsarbeit zum ersten Mal den optisch-elektrischen (O-E) Umwandlungsprozess in Graphen entschlüsselt. Graphen weist eine hohe Empfindlichkeit und eine schnelle elektrische Reaktion auf eine breite Palette von elektromagnetischen Wellen auf, von Terahertz (THz) bis Ultraviolett (UV). Es ist somit ein vielversprechendes Material für die Photodetektion, das eine Hochgeschwindigkeits-O-E-Umwandlung in Wellenlängenbereichen ermöglicht, in denen bestehende Halbleitergeräte nicht eingesetzt werden können. Bislang war die nachgewiesene Nullvorspannungsgeschwindigkeit aufgrund der konventionellen Gerätestruktur und Messausrüstung jedoch auf 70 GHz begrenzt. Die Herausforderung für Graphen-PDs besteht daher darin, 200-GHz-Betriebsgeschwindigkeiten zu erreichen und die inhärenten Eigenschaften von Graphen zu erforschen, beispielsweise den Prozess der optisch-elektrischen Umwandlung.

In dieser Studie konnten NTT und NIMS einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit einer 3dB-Bandbreite von 220 GHz nachweisen, da die durch die Bauelementestruktur verursachte Stromverzögerung durch die Verwendung einer dünnen Zinkoxidschicht (ZnO) als Gatematerial beseitigt und die THz-Spektroskopie-Technologie auf dem Chip zum Auslesen des Stroms mit hoher Geschwindigkeit eingesetzt wurde. Im Rahmen der Studie wurde durch den Vergleich der Eigenschaften von PDs, die mit Graphen unterschiedlicher Qualität hergestellt wurden, auch ein Kompromiss zwischen Betriebsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit gefunden. Die Ergebnisse werden es ermöglichen, Graphen-PDs je nach ihrem Verwendungszweck zu optimieren, beispielsweise in optischen Sensoren, bei denen die Empfindlichkeit im Vordergrund steht, oder in O-E-Signalwandlern, bei denen es auf die Geschwindigkeit ankommt. Diese bahnbrechende Forschungsarbeit wurde online in der britischen Fachzeitschrift Nature Photonics am 25. August 2022 veröffentlicht.

Die Forschungsgruppe untersuchte die O-E-Umwandlung in Graphen und fokussierte sich dabei auf den photothermoelektrischen (PTE) Effekt³, der den Nullvorspannungsbetrieb ermöglicht, der zur Verbesserung des Stromverbrauchs und des Signal-Rausch-Verhältnisses erforderlich ist. Die Studie hat außerdem gezeigt, dass die Reaktionszeit des Stroms im Gegensatz zum herkömmlichen Verständnis nahezu unabhängig von der PD-Größe ist. Die Zeit von der Lichteinstrahlung bis zur Stromerzeugung kann je nach Ladungsträgerdichte zudem deutlich variiert werden, von weniger als 100 fs bis zu mehr als 4 ps.

Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial von Graphen als Hochgeschwindigkeits-Breitband-PD. Das Graphen in diesem Experiment wurde jedoch aus Graphit herausgelöst, weshalb es sich nicht für die Massenproduktion eignet. Die Forscher von NTT werden zukünftig PDs evaluieren, die großflächiges Graphen verwenden, das in Massenproduktion hergestellt werden kann. Die Wissenschaftler haben aktiv an der Entwicklung von Materialien gearbeitet, die in der Natur nicht vorkommen, indem sie Graphen und andere zweidimensionale Materialien schichten (ein- oder mehrschichtige Materialien mit atomaren Schichten). Sie werden ferner nach Materialien suchen, mit denen sich ein noch schnellerer Betrieb erreichen lässt und die die Technologie optimal nutzen. Alle Einzelheiten über diese Innovation können Sie hier nachlesen.

¹ Insbesondere bei Graphen ist ein Nullvorspannungsbetrieb entscheidend, um den Stromverbrauch und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
² Ein Gerät, das Licht elektrisch erkennt, indem es optische Signale in elektrische Signale umwandelt.
³ Änderung der Temperatur durch Bestrahlung des Materials mit Licht zur Erzeugung von Spannung.

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