メタマテリアルが光子を吸収して高速グラフェンを実現

October, 25, 2023, Zurich--グラフェンのまばゆいばかりの特性の長いリストの中には、入射光に対する非常に迅速な応答があり、インターネット帯域幅に対する増え続ける需要を満たすことができる新しい種類の超高速フォトディテクタにつながる可能性がある。しかし、グラフェンの並外れた薄さは、わずか2原子厚の炭素の単一シートで構成されるため、光の吸収が不十分であり、通常はレーザビームのエネルギーの約2%をタップするだけである。

現在、スイスの研究チームは、グラフェンを特注赤外線吸収体(小さな金のアンテナのアレイで構成されるメタマテリアル)と統合することにより、グラフェンの電光石火の速度がどのように利用できるかを示した(Science、doi:10.1126/science.adg8017)。研究チームは、NIRスペクトルの広い範囲にわたりフラットな周波数応答と組み合わせた500GHzの世界記録フォトディテクタ実証したと報告している。デバイスの全体的な吸収はまだかなり低いが、チームは、さらなる設計最適化と組み合わせた高い入力パワーを取り扱うことが可能であり、新世代のグラフェンベースのフォトディテクタ実現が可能であるとと考えている。

金ベースのメタマテリアル
今日まで、グラフェンベースのフォトディテクタを開発する多くの研究者は、フォトニック集積回路内にデバイスを組み込むことによって、材料の吸収率が悪い点を克服しようと努めてきた。このアプローチには、広いスペクトル範囲にわたる速度と適用性の利点がある。とは言え、その範囲は、回路の形状を変更することによって全体にアクセスできるだけである。

今回、ETH-ZurichのStefan Koepfli、Juerg Leutholdの研究グループは、吸収問題の解決として、自由空間でシングルモードファイバで金ベースのメタマテリアル照射に注目した。チームのデバイスには5つの層があり、最下部の2層は金の反射バックプレーンと酸化アルミニウム製のスペーサーで構成されている。その上には、メタマテリアルを取り付けた単層グラフェンがあり、続いてデバイスをキャップするための酸化アルミニウムのパッシベーション層が続く。

メタマテリアルは、約250-nm長ダイポールアンテナの10×10アレイで構成されており、狭金線を周期的に広げ、て1µm離して作製されている。アンテナは、その近くに電磁ホットスポットを生成することによって赤外線の電界に応答し、そこからのエネルギーの一部はグラフェンによって吸収される。(このプロセスは、金と銀の接点が交互に発生するn型とp型のドーピングによって可能になる)。

強力な信号、高ビットレート
Koepfliとチームは、デバイスの応答速度をテストするために、2〜500GHzの周波数のレーザビートにデバイスに当てた。このデバイスは、範囲全体にわたって強力な信号を生成し、一貫して-3dBを超え、範囲の上限はフォトディテクタのこれまでで最高の帯域幅に対応している。また、他のどのグラフェンディテクタよりも高いビットレートも記録し、レーザパルス振幅のバイナリ変調を使用して132 Gbit/sを測定した。

メタマテリアルの並外れた吸収にもかかわらず、ETHチームは、わずか0.75 mA/Wという低い応答性(光パワーインに対する電流出力比)を認めるものを記録した。これは、デバイスが生成する電子と正孔のペアごとに約1000個の光子を必要とするのに対し、最先端のフォトダイオードではペアあたりわずか10個のフォトンが必要であることを意味する。しかし、研究チームは、電流と電力の関係は200mWまで線形のままであり、同様のデバイス破壊テストでは1W以下の損傷は示されていないと指摘している。

高出力に対するこの耐性は、結果として生成されるより大きな絶対電流を考えると、より低い応答性を部分的に補うはずであると研究者たちは主張している。いずれにせよ、チームによると、自由空間で照射されたグラフェンフォトディテクタの以前のデモンストレーションは、キャリア増倍に基づくデバイス、または剥離された多層グラフェンが光学的増強(メタマテリアルの使用など)なしでより高い応答性をすでに達成している応答性を高める可能性を示している。

さらに、Koepfliとチームは、このデバイスが優れたスペクトル特性を持ち、200nm幅のスペクトル帯域と1400〜4200nm、それ以上の中心波長にわたって平坦な応答を示すことを確認した。また、30種類の長さのアンテナを製作し、シミュレーションに沿ってそれぞれの場合で、吸収共鳴を実証した。さらに、チームは、2つの異なる長さのアンテナが互いに散在する1つのデバイスを製造し、各アンテナがその特定の共振周波数に別々に応答できることを示した。

シンプルなデザイン
研究チームによると、グラフェンデバイスには他にも多くのプラスポイントがある。一つには、金属、絶縁体、グラフェン、金属、絶縁体の比較的簡単な5層積層は、ほとんどすべての種類の基板と互換性がある。またチームによると、以前のほとんどのグラフェンディテクタとは対照的に、冷却または真空条件なしで結果を取得し、CMOS技術と互換性のあるゲート電圧を使用した。

研究チームは、現在、より高い応答性を持つフォトディテクタに向けて取り組んでいる。