NTT Corporation (« NTT ») et le National Institute for Materials Science (NIMS) ont obtenu conjointement le fonctionnement non polarisé le plus rapide au monde1 (220 GHz) pour un photodétecteur en graphène2. De plus, l’étude réalisée par NTT et le NIMS clarifie pour la première fois le processus de conversion optique à électrique (O-E) dans le graphène. Le graphène a une réponse électrique hautement sensible et à haute vitesse pour un large éventail d’ondes électromagnétiques, allant des térahertz (THz) aux ultraviolets (UV). Il s’agit donc d’un matériau prometteur de photodétection permettant une conversion O-E à haute vitesse à des intervalles de longueur d’onde auxquels les semiconducteurs actuels ne peuvent fonctionner. Toutefois, jusqu’à présent, la vitesse démontrée de fonctionnement non polarisé était limitée à 70 GHz en raison de la structure des dispositifs et des équipements de mesure conventionnels. Pour cette raison, le défi pour les photodétecteurs en graphène était de démontrer des vitesses de fonctionnement de 200 GHz et de clarifier les propriétés inhérentes du graphène, comme le processus de conversion optique à électrique.
Dans cette étude, NTT et le NIMS ont démontré un fonctionnement à haute vitesse de 220 GHz avec une bande passante de 3dB en éliminant le ralentissement actuel causé par la structure des dispositifs grâce à une fine couche d’oxyde de zinc (ZnO) en tant que matériau de grille et à une technologie de spectroscopie THz sur puce pour lire le courant à haute vitesse. L’étude a également trouvé l’équilibre entre vitesse et sensibilité de fonctionnement en comparant les caractéristiques des photodétecteurs fabriqués en graphène de différentes qualités. Les conclusions permettront aux photodétecteurs en graphène d’être optimisés en fonction de leur utilisation prévue, comme avec les capteurs optiques priorisant la sensibilité ou les convertisseurs de signaux O-E priorisant la vitesse. Cette étude révolutionnaire a été publiée en ligne dans la revue scientifique britannique Nature Photonics le 25 août2022.
Le groupe de recherche a étudié la conversion O-E dans le graphène, en se concentrant sur l’effet photothermoélectrique3, qui permet un fonctionnement non polarisé nécessaire pour améliorer l’écoefficience et le rapport signal-bruit. De plus, l’étude a montré que, contrairement aux connaissances disponibles, la durée de réponse du courant est presque indépendante de la taille du photodétecteur. En outre, la durée entre l’irradiation lumineuse et la production de courant peut être sensiblement modifiée (de moins de 100 fs à plus de 4 ps), en fonction de la densité des porteurs.
Ces résultats démontrent le potentiel du graphène en tant que photodétecteur à haute bande passante. Toutefois, le graphène dans cette expérimentation a été exfolié du graphite, ce qui le rend inutilisable pour une production de masse. À l’avenir, les chercheurs de NTT évalueront les photodétecteurs en utilisant du graphène à grande surface pouvant être produit en masse. Les chercheurs ont activement créé des matériaux qui n’existent pas dans la nature en superposant du graphène et d’autres matériaux bidimensionnels (matériaux à mono ou multicouche atomique). Les chercheurs continueront d’essayer de trouver des matériaux capables d’atteindre un fonctionnement encore plus rapide en tirant pleinement parti de cette technologie. Retrouvez toutes les informations détaillées sur cette innovation en cliquant ici.
1 En particulier avec le graphène, un fonctionnement non polarisé est essentiel pour améliorer la consommation énergétique et le rapport signal-bruit.
2 Un dispositif qui détecte électriquement la lumière en convertissant les signaux optiques en signaux électriques.
3Modification de la température en irradiant le matériau avec de la lumière afin de générer de la tension.
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