应变光电子学：基于二维材料的光电探测器

原创 长光所Light中心 中国光学

撰稿 | Christian（西湖大学 博士）

近日，乔治华盛顿大学电子与计算机工程系Volker Sorger教授团队首次展示了一种基于对覆盖在硅光子波导上的碲化钼（MoTe2：一种二维半导体材料）进行应变工程的光电探测技术。

这种探测器在1550 nm通信波长能够高效工作，响应率为0.5 AW-1。在非平面波导结构中显示出0.2 eV的带隙调制，在未施加应变的情况下，在没有光敏性的介质中会产生较大的光响应。基于此，研究人员提出“应变光电子技术”的概念。

该成果以“Strain-engineered high-responsivity MoTe2 photodetector for silicon photonic integrated circuits”为题发表在Nature Photonics。

图1 一种应变控制的基于硅光子电路的二维光电探测器的设计

图源：乔治华盛顿大学

现代社会对数据的需求一直在不断增长，人们开始追求更高效的光学数据信号转换技术，从笔记本电脑或智能手机等电子设备到光纤互联网。光信号到电信号的转换过程是由光电探测器来完成的，光电探测器是光网络的关键组成部分。

目前，光电探测的主流的技术是基于锗和InGaAs，InP，因为他们在通信波长是高吸收(>90%)的。

然而，由于生长的复杂性、晶圆键合问题和热损耗等问题，III-V材料（InGaAs，InP）与硅互补金属-氧化物-半导体技术并不兼容。另一方面，由于在外延生长过程中硅锗界面存在缺陷和位错中心，锗光电探测器通常表现出较高的噪声。

尽管传统半导体如Si/Ge和III-V的应变工程可以用来提高电子和光子器件的性能。通过诱导应变，外延生长技术可以改变电子带结构，从而对迁移率产生积极的影响。但是这种应变仍是有限的。

延续应变调控的思路，降低从块状晶体到二维层状薄膜的维度可以使材料承受更高的应变，二维材料具有科学和技术上适用的特性。由于其强大的光吸收能力，开发基于二维材料的光电探测器将可以增强光电转换，因此可以实现更有效的数据传输和电信。

然而，由于二维材料的低吸收和宽光学带隙，二维半导体材料（例如过渡金属二卤化物类的半导体材料）无法在电信波长下有效工作。

为此，Volker Sorger教授团队为二维材料的这一缺陷提供了解决方案：应变光电子技术。他们提供了改变二维材料光学和电学特性的工具，在硅光子波导上覆盖一层超薄的碲化钼（MoTe2）层，从而首次开发了基于二维材料的光电探测器（图2）。

图2 集成光电探测器制备过程

图源：Nat. Photonics 14, 578–584 (2020) Fig.S1

研究人员利用他们新开发的应变光电子“控制旋钮”来修改其物理特性以减小电子带隙，使该器件能够在近红外波长下工作，特别是在1550 nm的通信波长。该发现的一个令人着迷的特征是：对于特定量的应变，与块体材料相比，这些半导体二维材料可承受的应变量要高得多。

研究小组还观察到，（图3）这种基于二维材料的新型光电探测器的灵敏度是其他石墨烯光电探测器的1000倍。能够产生如此高灵敏度的光电探测器不仅对光学通信有用，而且对医学传感甚至量子信息系统也有用。同时，这些器件有望在机器学习和人工智能的光子人工神经网络方面得到应用和发展。

图3 应用场景：光通信

图源：Critical Frequency Design

文章信息

Maiti, R., Patil, C., Saadi, M.A.S.R. et al. Strain-engineered high-responsivity MoTe2 photodetector for silicon photonic integrated circuits. Nat. Photonics 14, 578–584 (2020).

原文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0647-4

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