NTT consigue la mayor velocidad de funcionamiento con sesgo cero de un fotodetector de grafeno

NTT Corporation («NTT») y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales (NIMS, por sus siglas en inglés) han logrado de forma conjunta el funcionamiento sin sesgo más rápido del mundo¹ (220 GHz) de un fotodetector (FD) de grafeno ². Además, la investigación realizada por NTT y NIMS ha aclarado por primera vez el proceso de conversión de óptico a eléctrico (O-E) en el grafeno. Este material presenta una gran sensibilidad y una respuesta eléctrica de alta velocidad a una amplia gama de ondas electromagnéticas, desde los terahercios (THz) hasta el ultravioleta (UV). Por lo tanto, es un material de fotodetección sumamente prometedor para permitir la conversión O-E de alta velocidad en rangos de longitud de onda en los que los dispositivos semiconductores actuales no pueden funcionar. Sin embargo, hasta ahora, la velocidad de funcionamiento de sesgo cero demostrada estaba limitada a 70 GHz debido a la estructura convencional del dispositivo y a los equipos de medición. Por este motivo, el desafío de los FD de grafeno es demostrar velocidades de funcionamiento de 200 GHz y aclarar las propiedades inherentes al grafeno, como el proceso de conversión de óptico a eléctrico.

En este estudio, NTT y NIMS demostraron el funcionamiento a alta velocidad de 220 GHz con un ancho de banda de 3 dB. Para ello, eliminaron el retardo de la corriente causado por la estructura del dispositivo mediante el uso de una fina película de óxido de zinc (ZnO) como material de puerta y utilizando la tecnología de espectroscopia de THz en el chip para leer la corriente a alta velocidad. En la investigación también se pudo comprobar un equilibrio entre la velocidad de funcionamiento y la sensibilidad al comparar las características de los FD fabricados con grafeno de diferentes calidades. Los resultados permitirán optimizar los FD de grafeno en función del uso que se les quiera dar, por ejemplo, en sensores ópticos que prioricen la sensibilidad o en convertidores de señales O-E que prioricen la velocidad. Esta innovadora investigación se publicó en línea en la revista científica británica Nature Photonics el 25 de agosto de 2022.

El grupo encargado de la investigación estudió la conversión O-E en el grafeno, centrándose en el efecto fototermoeléctrico (FTE)³, que permite el funcionamiento de sesgo cero necesario para mejorar el consumo de energía y la relación entre señal y ruido. Además, en la investigación se demostró que, al contrario de lo que se pensaba, el tiempo de respuesta de la corriente es casi independiente del tamaño del FD. Además, el tiempo que transcurre desde la irradiación de la luz hasta la generación de la corriente puede variar significativamente, desde menos de 100 fs hasta más de 4 ps, dependiendo de la densidad del portador.

Estos resultados demuestran el potencial del grafeno como FD de banda ancha de alta velocidad. Sin embargo, el grafeno de este experimento se obtuvo a partir de grafito, por lo que no es apto para la producción a gran escala. En el futuro, los investigadores de NTT evaluarán FD con grafeno de gran superficie que puedan producirse masivamente. Los investigadores han estado creando de forma activa materiales que no existen en la naturaleza mediante la superposición de grafeno y otros materiales bidimensionales (materiales de una o varias capas de átomos). Otro de los objetivos será buscar materiales que puedan lograr un funcionamiento aún más rápido aprovechando esta tecnología. Para conocer todos los detalles de esta innovación, consulte aquí.

¹ Especialmente en el grafeno, el funcionamiento con sesgo cero es esencial para mejorar el consumo de energía y la relación entre señal y ruido.
² Un aparato que detecta eléctricamente la luz convirtiendo las señales ópticas en señales eléctricas.
³ Cambio de la temperatura por irradiación del material con luz para generar tensión.

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