Phát hiện trên chip: Dị ứng vật liệu 2D cho Vi điện tử “Kỷ nguyên hậu Moore”

Hình 1. Sơ đồ của bộ tách sóng dị liên kết van der Waals PN tích hợp ống dẫn sóng. Nhà cung cấp hình ảnh: Trung tâm xuất bản ánh sáng, Viện Quang học Trường Xuân, Cơ học và Vật lý tinh, CAS

Các mạch tích hợp quang tử (PIC) sử dụng các photon làm vật mang thông tin và có tốc độ truyền cực cao, độ trễ thấp và chống nhiễu xuyên âm điện từ. Những ưu điểm này được kỳ vọng sẽ giải quyết các vấn đề nghẽn cổ chai của chip vi điện tử về tốc độ, mức tiêu thụ điện năng và mật độ tích hợp. Nó có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy những đột phá trong công nghệ vi điện tử, công nghệ thông tin lượng tử và công nghệ cảm biến vi mô trong “kỷ nguyên hậu Moore”.

Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ thông tin, chip tích hợp quang tử đã có những bước phát triển vượt bậc. Ví dụ, silicon PIC tương thích với công nghệ CMOS trưởng thành để sản xuất quy mô lớn và chi phí thấp; Silicon nitride PIC có thể chịu được công suất quang học cao vừa phải và sai số chế tạo lớn; và Lithium niobate PIC có thể đạt được các điều chế quang điện hoàn hảo với điện áp điều khiển thấp và độ tuyến tính cao.

Tuy nhiên, một trong những điểm hạn chế trong các PIC này là sự tích hợp nguyên khối của ống dẫn sóng và bộ tách sóng quang với một vật liệu duy nhất. Để hỗ trợ sự truyền ánh sáng trong ống dẫn sóng, các vật liệu PIC không thể hấp thụ tín hiệu quang học, do đó không thể nhận ra bộ tách sóng quang tích hợp từ một vật liệu duy nhất. Để giải quyết vấn đề này, sự tích hợp dị thể của các vật liệu dạng khối hấp thụ (chẳng hạn như chất bán dẫn hợp chất Ge, III-V, v.v.) trên PIC đã được thực hiện. Mặc dù nó vẫn đặt ra những thách thức lớn như chi phí cao, quy trình chế tạo phức tạp và các vấn đề về giao diện vật liệu.

Hình 2. Sự liên kết dải của dị liên kết BP / MoTe2 PN ở trạng thái cân bằng nhiệt (bảng điều khiển bên trái); Hình ảnh kính hiển vi quang học của thiết bị được chế tạo (bảng bên phải). Nhà cung cấp hình ảnh: Trung tâm xuất bản ánh sáng, Viện Quang học Trường Xuân, Cơ học và Vật lý tinh, CAS

Gần đây, vật liệu hai chiều (2D) đã nổi lên như một vật liệu hấp thụ photon hấp dẫn cho các bộ tách sóng quang tích hợp chip. Vật liệu 2D không có liên kết lơ lửng trên bề mặt, điều này giúp loại bỏ các ràng buộc về sự không phù hợp của mạng tinh thể để tích hợp chúng với PIC. Họ vật liệu 2D có nhiều tính chất điện tử và quang học phong phú, bao gồm graphene bán kim loại, boron nitride cách điện, dichalcogenides kim loại chuyển tiếp bán dẫn và phốt pho đen. Do đó, các bộ tách sóng quang tích hợp chip hoạt động ở các dải phổ khác nhau có thể được chế tạo bằng cách chọn vật liệu 2D thích hợp.

Trong một bài báo mới được xuất bản trên tạp chí Khoa học Ánh sáng & Ứng dụng vào ngày 20 tháng 4 năm 2022, một nhóm nghiên cứu, do Giáo sư Xuetao Gan dẫn đầu từ Phòng thí nghiệm trọng điểm về thao tác trường ánh sáng và thu thập thông tin, Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin, và Phòng thí nghiệm trọng điểm Thiểm Tây của Công nghệ Thông tin Quang học, Trường Khoa học Vật lý và Công nghệ, Đại học Bách khoa Tây Bắc, Trung Quốc đã báo cáo rằng việc tích hợp các dị liên kết van der Waals PN của vật liệu 2D trên các ống dẫn sóng quang học có thể cung cấp một chiến lược đầy hứa hẹn để hiện thực hóa các bộ tách sóng quang tích hợp chip với dòng điện tối thấp, độ phản hồi cao, và tốc độ nhanh.

Với cấu trúc phân lớp 2D và không có liên kết lủng lẳng, các nhà nghiên cứu có thể xếp chồng các vật liệu 2D với các đặc tính khác nhau theo các thứ tự khác nhau bằng cách “xếp gỗ” để tạo thành cấu trúc dị hình van der Waals với các giao diện phẳng về mặt nguyên tử. “Sự kết hợp tùy ý” của các dị liên kết van der Waals không chỉ có thể mang lại các đặc tính ưu việt của một vật liệu đơn lẻ, mà còn tạo ra các đặc tính mới, đạt được bước nhảy vọt 1 + 1> 2, như thể hiện trong Hình 1.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đầy đủ BP pha tạp p tự nhiên và MoTe ₂ pha tạp chất n để xếp chồng dị thể, và chế tạo thành công dị liên kết van der Waals PN hiệu quả.

Thứ hai, vì không có liên kết lơ lửng trên bề mặt của vật liệu 2D, so với chất bán dẫn truyền thống, vật liệu 2D không cần xem xét sự không phù hợp mạng khi tích hợp với các nền tảng tích hợp quang tử khác nhau.

Cuối cùng, việc chuẩn bị các điện cực thoát nguồn cũng có thể được tích hợp trên nền quang tử thông qua công nghệ “gỗ xếp chồng” và được đặt trên cả hai mặt của vật liệu mà không cần các quy trình rườm rà như quang khắc.

Điều này cũng giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình chế tạo thiết bị, tránh sự nhiễm bẩn của giao diện thiết bị trong các quá trình như quang khắc, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của thiết bị.

Tham khảo: “Bộ tách sóng quang tiếp xúc van der Waals PN tích hợp chip với dòng điện tối thấp và độ phản hồi cao” của Ruijuan Tian, Xuetao Gan, Chen Li, Xiaoqing Chen, Siqi Hu, Linpeng Gu, Dries Van Thourhout, Andres Castellanos-Gomez, Zhipei Sun và Jianlin Zhao, ngày 20 tháng 4 năm 2022, Light: Science & Applications .
DOI: 10.1038 / s41377-022-00784-x

Theo Scitechdaily