Forschung -

Graphen-Silizium-Kombination für die Photonik

Wenn man ein Smartphone, einen Laptop oder ein Tablett benutzt, dann profitieren wir von der Forschung in der Photonik. An der University of Delaware entwickelte ein Forscherteam modernste Technologien für photonische Geräte, die eine schnellere Kommunikation zwischen den Geräten und den Menschen ermöglichen könnten.

Die Forschergruppe realisierte kürzlich ein Silizium-Graphen-Element, das Hochfrequenzwellen in weniger als einer Pikosekunde bei einer Bandbreite von weniger als 1 THz übertragen kann. Ihre Arbeit wurde in "ACS Applied Electronic Materials" veröffentlicht.

"In dieser Arbeit haben wir die Bandbreitenbegrenzung der graphenintegrierten Silizium-Photonik für zukünftige optoelektronische Anwendungen untersucht", sagte Doktorand Dun Mao, der Erstautor der Arbeit.

Silizium ist ein natürlich vorkommendes und reichhaltig vorkommendes Material. Allerdings haben die Forscher das Potenzial von Geräten mit Halbleitern nur aus Silizium nahezu ausgeschöpft.

Diese Elemente werden durch die Trägermobilität des Siliziums, die Geschwindigkeit, mit der sich eine Ladung durch das Material bewegt, und die indirekte Bandlücke begrenzt. Das limitiert die Fähigkeit zur Freisetzung und Absorption von Licht.

Nunmehr kombinierte das Team Silizium mit einem Material mit günstigeren Eigenschaften, dem 2-D Material Graphen. 2-D Materialien erhalten ihren Namen, weil sie nur eine einzige Schicht von Atomen sind.

Im Vergleich zu Silizium weist Graphen eine bessere Trägermobilität, eine direkte Bandlücke auf und ermöglicht eine schnellere Elektronenübertragung sowie bessere elektrische und optische Eigenschaften.

Durch die Kombination von Silizium mit Graphen können Wissenschaftler möglicherweise weiterhin Technologien nutzen, die bereits mit Silizium-Bauelementen verwendet werden - sie würden mit der Silizium-Graphenkombination jedoch einfach schneller arbeiten.

"Wenn wir die Materialeigenschaften betrachten, können wir mehr leisten als das, womit wir arbeiten? Das wollen wir herausfinden", sagte Doktorand Thomas Kananen.

Um Silizium mit Graphen zu kombinieren, verwendete das Team ein Verfahren, die sie selbst entwickelten und das in einem in "npj 2D Materials and Application" veröffentlichten Bericht beschrieben wurde.

Das Team platzierte das Graphen an einem speziellen Punkt, dem so genannten p-i-n-Anschluss, einem Interface zwischen den Materialien. Durch die genaue Platzierung des Graphens an der p-i-n-Verbindung optimierte das Team die Struktur derart, dass die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit des Elementes verbessert wurden.

Diese Methode ist robust und kann von anderen Forschern leicht angewendet werden. Dieser Prozess findet auf einem 12-Zoll-Wafer aus dünnem Material statt und verwendet Komponenten, die jeweils kleiner als ein Millimeter sind.

Einige Komponenten wurden in einer kommerziellen Foundry hergestellt. Weitere Arbeiten fanden in der Nanofabrikationsanlage von UD statt, deren Direktor Matt Doty, ein außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, ist.

"Die UD Nanofabrication Facility (UDNF) ist eine von Mitarbeitern unterstützte Einrichtung, die es Anwendern ermöglicht, Bauelemente mit Längen von bis zu 7 nm herzustellen, was etwa 10.000 mal kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares", sagt Doty. "Das in 2016 eröffnete UDNF hat inzwischen neue Forschungsrichtungen in den Bereichen Optoelektronik, Biomedizin und Pflanzenwissenschaften in Betrieb genommen."

Die Kombination aus Silizium und Graphen kann als Fotodetektor eingesetzt werden, der Licht erfasst und Strom erzeugt, und zwar mit mehr Bandbreite und einer geringeren Reaktionszeit als derzeit aktuelle Angebote.

All diese Forschungen könnten sich in Zukunft zu billigeren, schnelleren drahtlosen Geräten summieren. "Es kann das Netz stärker, besser und billiger machen", sagte Postdoc und Erstautor Tiantian Li. "Das ist ein Kernpunkt der Photonik."

Jetzt denkt das Team darüber nach, wie man die Einsatzmöglichkeiten dieses Materials erweitern kann. "Wir untersuchen weitere Komponenten, die auf einer ähnlichen Struktur basieren", sagte Gu.

Diese Arbeit wurde von AFOSR und NASA finanziell unterstützt. Das Team arbeitet teilweise mit Bell Labs zusammen.

Weitere Beiträge zum Thema Forschung Alle Artikel des Ressorts
© elektronikinformationen.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten