Семинары

Стремительное развитие информационных технологий приводит к росту передаваемого объема  данных. Для удовлетворение растущих требований  к пропускной способности каналов связи и скорости обработки информации в дата центрах требуется развитие новых подходов. Перспективным является использование фотонных интегральных схем (ФИС) - компактных устройств преимущественно на кремниевой основе, реализующих на одном чипе различные фотонные схемы. Для создание таких устройств необходима технология, способная реализовать на одном чипе все необходимые оптические элементы: источники, модуляторы, детекторы. Двумерные Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры позволяют создавать такие структуры, а также легко интегрируются на оптический волновод, что позволяет использовать для создания прототипов различных ФИС. В данном докладе представлены наши последние результаты по разработке и моделированию интегрального фотодетектора на основе двумерного сверхповодника  NbSe2. Моделирование проводилось с использованием метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в программе COMSOL Multiphysics. Было проведено электромагнитное моделирование поперечного сечения волновода из Si3N4 с многослойной структурой  hBN/NbSe2/hBN для расчета поглощения, возникающего в результате взаимодействия затухающего поля с пленкой. В моделировании подбиралась оптимальная ширина волновода для лучшего поглощения материалом излучения. Поэтому данный параметр варьировался от 0.5 мкм до 4 мкм. Из результатов симуляции были получены параметры волновода: глубина протрава волновода 225 нм, ширина волновода 2.5 мкм. Мы наблюдаем рост поглощения излучения из волновода для NbSe2 толщиной 12.7 нм в структуре с hBN толщиной 20 нм от 0.0145 дБ/мкм до 0.0685 дБ/мкм. С увеличением ширины волновода поглощение двумерными кристаллами растет, что связано с увеличением площади покрытия волновода. Из полученных данных можно сделать вывод, что для поглощения половины распространяющегося по волноводу излучения необходим кристалл NbSe2 длинной 44 мкм. Для уменьшения размеров чувствительного элементы и, как следствие, оптимизации его характеристик было предложено  интегрировать флейки NbSe2 на кольцевой резонатор. 

семинар7_Моделирование (PDF, 286 Кб)

Графен считается многообещающей платформой для детектирования высокочастотного излучения вплоть до терагерцового (ТГц) диапазона из-за его превосходной подвижности электронов и малой электронной теплоемкости. Ранее было показано, что графеновые полевые транзисторы демонстрируют широкополосный фотоотклик при комнатной температуре на падающее ТГц излучение благодаря термоэлектрическому и/или плазменному выпрямлению волн. Оба эффекта имеют схожие функциональные зависимости от напряжения на затворе, поэтому в предыдущих исследованиях было трудно разделить эти вклады. В данном  докладе будут представлены  комплексные экспериментальные и теоретические исследования отклика на суб-ТГц излучение графеновых полевых транзисторов, анализируемые при различных температурах.  В результате анализа фотонапряжения при разных температурах было показано, что противоположный знак коэффициента Зеебека в p-легированном графеновом канале и n-легированной приконтактной области графен/металл приводит к фото-термоэлектрическому выпрямлению высокочастотного излучения. Для однородно n-легированного графена (где ФТЭ подавлен), было обнаружено увеличение сигнала с ростом температуры, что противоречит фото-термоэлектрическому механизму и может быть качественно объяснено выпрямлением за счет затухающих плазменных волн

ORIGINS OF TERAHERTZ PHOTORESPONSE IN GRAPHENE TRANSISTORS: THEORY AND EXPERIMENT (PDF, 7,52 Мб)

В последнее время терагерцовый диапазон (ТГц) электромагнитного спектра (ЭМ) вызывает большой интерес в связи с широким спектром потенциальных применений: медицинская диагностика, неразрушающий контроль, системы безопасности и передача данных [1]. Для этих и многих других применений требуются быстрые и чувствительные ТГц-детекторы, которые могут быть легко интегрированы в матрицы. Графен - уникальный материал для детектирования излучения в терагерцовом диапазоне [2]. Во-первых, он имеет бесщелевую структуру и поглощает электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Во-вторых, графен обладает рекордно низкой электронной теплоемкостью и слабой электрон-фононной связью. Это, в свою очередь, приводит к сильному нагреву его электронной системы под воздействием падающего электромагнитного излучения [3], представляя собой уникальную платформу для разработки чувствительных болометров на основе графена [4]. В докладе будут представлены технологические основы создания таких ТГц детекторов на основе графена, а также первичные данные по измерению их характеристик. 

1.  Dhillon S. S., Vitiello M. S., Linfield E. H., Davies A. G., Hoffmann M. C., Booske J., Johnston M. B. The 2017 terahertz science and technology roadmap. Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (4) 2017 043001.
2.  Rogalski A., Kopytko M., Martyniuk P. Two-dimensional infrared and terahertz detectors: Outlook and status, Applied Physics Reviews. 6 (2) 2019 021316.
3.  Gabor N. M., Song J. C., Ma Q., Nair N. L., Taychatanapat T., Watanabe K., Jarillo- Herrero P. Hot carrier–assisted intrinsic photoresponse in graphene, Science. 334 (6056) 2011 648-652.
4.  Du X., Prober D. E., Vora H., McKitterick C. B., Graphene-based bolometers, arXiv preprint arXiv. 1308 (4065) 2013.

Development of THz radiation detectors based on graphene (PDF, 1,16 Мб)

С докладом на семинаре выступила стажер-исследователь НУГ «Группа фотоники и оптоэлектроники двумерных материалов» МИЭМ ВШЭ Любчак А.Н. Терагерцовые (ТГц) интегральные схемы - перспективная платформа для создания недорогих и эффективных компонентов для высокоскоростных сетей связи шестого поколения (6G). Одним из ключевых компонентов для этого приложения являются детекторы и смесители, интагрированные на ТГц-волнах. Графен, благодаря своим уникальным и настраиваемым свойствам, таким как нулевой зазор, высокая подвижность заряда и низкая электронная теплоемкость, уже продемонстрировал перспективность в разработке ТГц детекторов, смесителей и модуляторов в свободном пространстве. Более того, графеновые фотодетекторы, интегрированные в волновод, уже были продемонстрированы в видимой и ближней инфракрасной областях. В данном докладе представлены результаты моделирования фотодетектора на основе графена, интегрированного в кремниевый ТГц волновод, и технологический маршрут для изготовления такого типа детектора.

Разработка и моделирование суб-ТГц детектора (PDF, 756 Кб)

С докладом на семинаре выступил младший научный сотрудник НУГ «Группа фотоники и оптоэлектроники двумерных материалов» МИЭМ ВШЭ Шеин К.В. Быстрое развитие сверхпроводниковой наноэлектроники, вследствие огромного класса потенциальных применений, требует  исследования новых материалов с уникальными характеристиками для создания прорывных устройств на их основе. Сверхпроводниковые детекторы инфракрасного и терагерцового диапазонов являются ключевыми элементами таких технологий. В докладе будет будут представлены последние данные, посвященные исследованию возможности использования сверхпроводящей пленки NbSe2 в качестве основы для создания новых болометров ТГц излучения с улучшенными характеристиками, а также путей релаксации энергии горячих электронов, что является критически важным при разработке фотодетекторов на основе электронного разогрева. Наша работа представляет двумерные ван-дер-ваальсовы сверхпроводники как новую платформу для технологии терагерцовых болометров на горячих электронах и открывает путь для создания таких детекторов, в которых в зависимости от потребностей могут быть реализованы как высокочувствительное обнаружение, так и сверхбыстрое смешивание. Во-первых, благодаря уникальной возможности уменьшить толщину пленок на основе NbSe2 до однослойного предела,  а также еще больше уменьшить латеральные размеры образцов, используя методы нанолитографии,  возможно изготовление болометров с пониженной электронной теплоемкостью. В таком детекторе чувствительность будет повышена, по крайней мере, на порядок по сравнению с коммерческими сверхпроводящими детекторами. Во-вторых, наш анализ, представленный в настоящей работе, подчеркивает возможности увеличения времени отклика до наносекундного масштаба за счет выбора подложки с улучшенной тепловой связью с ванной. 

Разработка детектора на основе NbSe2 (PDF, 2,68 Мб)

С докладом на семинаре выступил студен МИФИ Измайлов Рамиль. Темой доклада была «Разработка чувствительных болометров терагерцового излучения на основе метода шумовой термометрии графена». В работе исследуется новый подход для разработки терагерцовых болометров на основе графена с использованием метода шумовой термометрии. Графен благодаря рекородно малой электронной теплоемкости и слабой электрон-фонной связи при низких температурах раассматривается, как перспективный материал для создания терагерцовых болометров на горячих электронах. Основным препятствием для разработки таких устройств является слабая зависимость сопротивления графена от температуры. Здесь мы пытаемся решить эту проблему засчет прямого измерения электронной температуры в графене методом шумовой термометрии. Наши первые данные демонстрируют сильный разогрев электронной системы графена под воздействием постоянного тока (до 10 К при токе 500 нА). Анализ полученных результатов показывает, что внутренняя электрическая чувствительность исследуемых устройств составляет 100 000 В/Вт, что позволяет их рассматривать, как основу для создания чувствительных терагерцовых детекторов.

Разработка чувствительного болометра терагерцового излучения (PPTX, 20,37 Мб)

С докладом на семинаре выступил научный сотрудник Департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ, руководитель НУГ «Группа фотоники и оптоэлектроники двумерных материалов» Гайдученко И.А.  В данной работе был систематически исследован фотоотклик графеновых детекторов на излучение с длиной волны 1,55 мкм и определены возможные пути повышения их чувствительности.  Фото-термоэлектрический эффект в графене позволяет потенциально достичь быстродействия вплоть до пикосекунд (т.е. полосы до 500 GHz) в широком диапазоне частот: от видимого до терагерцового диапазонов. Потребность в таких устройствах наблюдается при разработке беспроводных сетей передачи данных 6-го поколения с полосой пропускания 100 ГГц и выше.  Мы показали, что доминируют различные механизмы выпрямления в зависимости от геометрии графенового канала. Доминирующим механизмом для длинного графенового канала является болометрический эффект, для короткого графенового канала – сочетание фотовольтаического и болометрического эффектов. Кроме того, мы показали, что устройства с более короткими каналами имеют более высокую чувствительность и не требуют дополнительного смещения, а отношение сигнал/шум достигает 45 дБ. Полоса пропускания наших детекторов достигает 16,8 ГГц и ограничена имеющимся оборудованием, а не внутренними характеристиками детектора.

Fast Graphene photodetectors (PDF, 8,86 Мб)