Graphene photodetectors for silicon photonic interconnects

Abstract

Durch die stetig ansteigene Menge an zu übertragenden Daten, sind neue Konzepte für die optische Datenübertragung notwendig. Derzeit beruht die moderne Kommunikation auf der Übertragung von Daten mittels Glasfasern. Die elektrische Datenverarbeitung hingegen ist auf einem Computerchip realisiert. Die Schnittstelle zwischen diesen beiden Welten stellen Photodetektoren dar, die Licht in ein elektrisches Signal umwandeln. In der optischen Datenübertragung werden üblicherweise Germanium oder III-V Verbindungshalbleiter für die Detektion von Licht verwendet. Die Integration von III-V Verbindungshalbleitern auf Silizium stellt sich aufgrund der untschiedlichen Kristall-Struktur im Vergleich zu Silizium als sehr schwierig dar. Germanium basierte Detektoren leiden unter einer limitierten spektralen Bandbreite und die Integration auf Silizium führt zu einer Einbuße in der Leistungsfähigkeit. Graphen besitzt eine breitbandige Lichtabsorption, eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und erlaubt die Durchstimmbarkeit der optischen Absorption, damit ist es ein idealer Kandidat für die Detektion von Licht. Die Möglichkeit zwei-dimensionale Materialen wie Graphen auf nahezu jedem Material zu integrieren eröffnet neue Möglichkeiten für die integrierte Photonik. Die Kompatibilität zur bestehenden Siliziumtechnologie aber auch zu amorphen Materialien wird in Zukunft eine größere Rolle spielen. Die physikalischen Mechanismen die in Graphen zu einem Photostrom führen, wurden in den letzten Jahren intensiv erforscht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzung dieses Wissens zur Realisierung von Hochleistungs-Photodetektoren. Drei ausgewählte Detektorkonzepte werden vorgestellt die eine schnelle Photodetektion mit hoher Empfindlichkeit und ohne Dunkelstrom erlauben. Alle Konzepte beruhen auf dem photo-thermoelektrischen Effekt unter Verwendung von elektrostatisch induzierten Graphen p-n- Übergängen. Das erste Konzept basiert auf einem Schlitzwellenleiter, der aus zwei durch einen Luftspalt getrennten Siliziumstreifen besteht. Diese spezielle Struktur begrenzt Licht innerhalb eines schmalen Luftspaltes. Darüber hinaus werden die Siliziumstreifen als Elektroden zur Steuerung der Ladungsträger in Graphen verwendet, wodurch das Ansprechverhalten des Detektors zu Gunsten des photo-thermoelektrischen Effekts verstärkt wird. Detektoren basierend auf diesem Konzept erreichten eine Empfindlichkeit von 3.5 V/W. Weiters konnte eine Rekordbandbreite von f_3dB = 65 GHz die durch den Messaufbau beschränkt wird, gemessen werden. Das zweite Konzept basiert auf einem Silizium integrierten photonischen Kristall-Defekt-Wellenleiter. In diesem Fall wird die photonische Struktur dazu verwendet, das sich ausbreitende Licht in einem schmalen Luftspalt zu begrenzen um so die Licht-Materie-Wechselwirkung zu verstärken. Zusätzlich wird die Struktur dazu genutzt einen p-n Übergang im Graphen durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen zu erzeugen. Im Vergleich zum ersten Konzept ermöglicht der photonische Kristall-Defekt-Wellenleiter eine verbesserte Umwandlung des Temperaturprofils in eine Photospannung im Graphen, aufgrund der zusätzlichen Siliziumflächen auf beiden Seiten des Wellenleiters. Damit konnte eine Empfindlichkeit von 4.7 V/W erreicht werden. Das dritte Konzept basiert auf der Integration von Graphen auf einem Silizium-Ring-Resonator. Die konstruktive Interferenz von Licht innerhalb des optischen Resonators führt zu einer starken Licht-Materie-Wechselwirkung, die zu einer Elektronentemperatur von bis zu 500 K im Graphen führt. Die Positionierung von zwei Elektroden auf der Graphenschicht erlaubt es, die Ladungsträger zu steuern um wiederum einen p-n Übergang im Graphen zu erzeugen. Mit diesem Konzept kann eine Empfindlichkeit von 23.9 V/W erreicht werden, welches dem höchsten gemessenen Wert einer Photospannung für einen Silizium-integrierten Graphen-Photodetektor darstellt.

The dense integration of photonic components on a silicon chip allows for a dramatic increase of the performance of optical interconnects. Photodetectors convert light into electrical signals and are at the heart of any optical link. In silicon photonics, traditionally germanium or III-V compound semiconductors are used for photodetection and both technologies have reached a high level of maturity. Nevertheless, the direct monolithic integration of III-Vs on silicon remains a challenge and germanium-based devices offer only a limited spectral detection range and suffer from reduced performance when grown on silicon. Recently, graphene has emerged as an attractive material in integrated photonics due to its broadband light absorption, high carrier mobility, and tunability of the optical response. The physical mechanisms that generate a photocurrent in graphene have been studied extensively in recent years. However, this knowledge has not yet been translated into high-performance photodetector devices. In this thesis, three different detector concepts are presented that allow for high-speed photodetection with high responsivity and without dark current. All devices rely on the photo-thermoelectric effect, using electrostatically induced graphene p-n junctions. The first device concept is based on a slot waveguide, which consists of two silicon stripes, separated by an air gap. This particular structure confines light inside the gap and in addition serves as dual-gate electrode to control the carriers in the graphene, enhancing the response due to the photo-thermoelectric effect. A responsivity of 3.5 V/W without external bias has been achieved. The (setup-limited) electrical bandwidth of f_3dB = 65 GHz is among the highest reported values for an integrated photodetector. The second concept is based on a silicon photonic crystal defect waveguide. The photonic structure is used to confine the propagating light in a narrow region in the graphene layer to enhance light-matter interaction. Additionally, it is again utilized as dual-gate electrode to create a p-n junction in the vicinity of the optical absorption region. The photonic crystal defect waveguide allows for improved conversion of the occurring temperature profile in graphene into a photovoltage due to additional silicon slabs on both sides of the waveguide, enhancing the response as compared to the slot waveguide design to 4.7 V/W. The third concept is based on the integration of graphene with a silicon ring resonator. Here, the constructive interference of light inside the optical resonator gives rise to strong light-matter interaction, resulting in an electron temperature in the graphene as high as 500 K. Dual gates on top of the graphene sheet are introduced to control the carriers, resulting in a responsivity of 23.9 V/W. This result constitutes the highest photovoltage response reported for a silicon integrated graphene photodetector to date.