芯片上光探测：二维材料异质结的光子集成

文章来源：LightScienceApplications作者：Light新媒体

光子集成芯片（Photonic integrated circuits, PICs）以光子为信息载体，借助其超高传输速度、低延迟、抗电磁串扰等优点，有望解决微电子芯片在速度、功耗和集成密度等方面的瓶颈问题，对推动“后摩尔时代”微电子技术、量子信息技术、微传感技术取得突破性进展具有关键性意义。

目前，在信息技术应用的推动下，基于不同材料体系的PIC均取得了长足发展。硅基 PIC 兼容成熟的 CMOS 技术，可实现低成本大规模生产；氮化硅基PIC 可承受较高的光功率和较大的制造误差；铌酸锂基PIC可实现完美的电光调制，具有低驱动电压和高线性度。

然而，这些 PIC 发展中共同存在的挑战之一是片上光电探测功能的实现。为支持光信号在PIC的波导中传输，用于制备PIC的这些材料不能吸收光信号。这就使得PIC材料因为不吸收光而无法实现光电探测器功能。为了解决这个问题，研究人员在PIC上异质集成可吸收光的体块材料（如锗和III-V族化合物半导体等），并已经得到了非常高的片上光电探测性能。然而，体块材料与PIC的异质集成仍然存在界面晶格失配、工艺繁琐、成本高等瓶颈问题。

近年来，随着二维材料的大面积高质量生长及器件制备工艺的发展和优化，研究人员对利用其实现PIC上有源功能器件寄予了厚望。二维材料是层间具有范德华力的层状材料，可以通过机械剥离或者外延生长为少数原子层厚度。二维材料表面无悬挂键，消除了与PIC异质集成时的晶格失配限制。二维材料家族具有丰富的电学和光学特性，包括半金属石墨烯、绝缘体氮化硼、半导体过渡金属硫族化物和黑磷，且这些二维材料可通过范德华异质堆垛形成新颖的光电特性，从而为实现片上光电探测提供可设计的光电响应功能。另外，二维材料的少数原子层厚度使基于其的异质结能获得“界面即器件”的功能，有望对其光电探测性能进行灵活调控。

近日，西北工业大学甘雪涛教授课题组通过在氮化硅波导上范德华异质集成二维材料PN异质结，实现了低暗电流和高响应率的片上光电探测。这一研究在开发硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物等PIC上高性能光电探测器方面均具有极高的潜力和价值。该成果以“Chip-integrated van der Waals PN heterojunction photodetector with low dark current and high responsivity”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Application》。西北工业大学博士研究生田睿娟为第一作者，甘雪涛教授为论文通讯作者。

研究成果

研究人员通过范德华异质堆垛黑磷(BP)和二碲化钼(MoTe2)构建了高性能的PN异质结, 并将其集成在氮化硅波导上，实现了低暗电流和高响应率的波导集成范德华PN异质结光电探测器。

图1 波导集成范德华PN异质结光电探测器原理图

借助二维材料无悬挂键的层状结构，研究人员可以通过 “堆积木”的方式，将性质迥异的二维材料按照不同的顺序进行堆垛，形成具有原子级平整界面的范德华异质结构。范德华异质结“任意搭配”的特性既能充分发挥单个材料的优势特性，又能产生新奇的特性，实现1+1>2的飞跃，如图1所示。该项研究中，研究者充分利用天然p掺杂的BP和n掺杂的MoTe2进行异质堆叠，成功制备了高效的范德华PN异质结。其次，由于二维材料表面没有悬挂键，与传统半导体相比，二维材料在与各种光子集成平台异质集成时，不需要考虑晶格失配的问题。最后，源漏电极的制备也可以通过 “堆积木” 技术范德华集成在光子平台上，并放置在材料两侧，不需要光刻等繁琐的工艺过程。这也大大简化了器件的制备工艺，避免了光刻等工艺中的器件界面污染问题，极大提升了器件性能。

图2 范德华PN异质结能带图（左图）；器件光学显微图（右图）

如图2（左图）的能带图所示，高效的BP/MoTe2范德华PN异质结的形成，能够有效地抑制器件的暗电流（6.8 nA，比目前波导集成黑磷和石墨烯光电探测器小二至三个数量级）。进一步，通过与氮化硅波导相集成，如图2（右图）所示，光场通过波导倏逝场与范德华PN异质结有效耦合，使得器件的光电响应率得到了显著提升（响应率达到577 mA W-1，与目前波导集成的锗探测器响应率相当）。同时得益于BP和MoTe2的少数原子层厚度，其所形成的范德华PN异质结可以通过外加栅压进行调控，使得探测器的响应率进一步得到提升（响应率达到709 mA W-1）。另外，基于BP材料的带隙特征，器件可以工作在较宽的通信波段。

总结和展望

本研究工作将二维材料构建的范德华PN结异质集成到氮化硅波导上，借助其优越的整流性能和光电转换效率，实现了接近于传统半导体光电探测器的低暗电流和高响应率。考虑到二维材料的无悬挂键和可范德华异质集成的优势，所提出的片上光电探测器也可应用于其他材料（如硅、铌酸锂、聚合物等）的PIC平台，且不局限在波导结构上，亦可集成于微环、光子晶体等结构上进一步提升探测性能。另外，近年来晶圆级高质量二维材料（包括石墨烯、黑磷、二碲化钼、二硫化钼等）单晶生长趋于成熟，并被成功用于制备晶圆级微电子器件。这些进展也将进一步推动本研究工作所提出的器件结构用于未来PIC上光电探测器的开发。

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编辑：书羽