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硅-二维材料光电探测器：从近红外到中红外

2021-08-22 08:45

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 郭敬书（浙江大学）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿‍

硅基光电子具有CMOS兼容、高集成度等突出优点，已成为集成光电子主流技术。正从1.31/1.55 μm近红外波段向2 μm及更长波段推进，以满足下一代光通信及光传感等重大需求。然而，以光电探测器为代表的硅基有源光电子器件在工艺及性能等方面还存在一定瓶颈。

值得注意的是，近年来迅速发展的二维材料（2DM）作为一种通过原子层间范德华力作用形成的层状材料已形成了一个极为丰富的材料体系，在光子学和光电子学领域具有重要应用潜力，特别是具备宽光谱和无晶格失配等突出优点。因此，发展硅-二维材料混合集成光电探测器件在全球范围内受到广泛关注。

硅技术与二维材料相结合的艺术效果图 (图源：ICFO/F.Vialla)

鉴于此，浙江大学光电学院戴道锌教授团队以 Silicon/2D-material photodetectors: from near-infrared to mid-infrared 为题于 Light: Science & Applications 发表综述论文。

本综述聚焦：近红外及中红外波段的硅-二维材料探测器，系统分析了其工作机制、结构类别及性能特点等，并对其未来发展进行展望。

硅-二维材料光电探测工作机制、器件结构及性能评价

二维材料光电探测器工作机制非常丰富，本文对此进行了深入分析和总结，如下图所示。根据是否涉及到载流子或晶格温度的变化分为光子型和热效应型两大类。

图1 二维材料光电探测器工作机制

光子型包括两种类型：

其一是探测光生载流子的光伏效应、内光子发射、直接隧穿、Fowler-Nordheim隧穿等机制；

其二是探测光电晶体管（phototransistor）沟道电导率变化的光电导效应和光栅压效应（photo-gating effect）。

热效应型包括：

辐射热效应、基于塞贝克效应的光热电效应等。

二维材料工艺上比较灵活，因而其器件结构也较为多样化。二维材料光电探测器可归纳为三大类：

（1）金属-二维材料-金属型；

（2）金属-二维材料+X-金属结构；

（3）二维材料-异质结结构。

二维材料光电探测器结构类型

金属-二维材料-金属型结构

该结构最为常见，但涉及多种工作机制。例如，近零偏置电压时，在横向不对称通道、横向p-n结及金属-石墨烯界面中，光热电效应是光响应主要机制；而更大偏压时，光电导效应、辐射热效应等电导型探测机制成为主导。而对于许多过渡金属硫族化合物（TMDC）或者黑磷（BP）器件，常产生光栅压效应主导的光电响应。此外，光伏效应、辐射热效应、光热电效应在TMDC或BP器件中也比较常见。

金属-二维材料+X-金属结构

该类结构中二维材料沟道与其它材料X接触，通常会引入各种束缚态，因而光栅压效应成为主导工作机制。其特点是高增益、低速度及响应度易于饱和。

二维材料-异质结结构

该结构中信号电极和接地电极分别与包含2DM的各种异质结中不同材料相接触。该类器件往往涉及光伏效应、内部光发射效应、隧穿效应等类别。

总结与展望

从目前的发展来看，实现高性能硅-二维材料光电探测器仍具有较大挑战，亟需进一步突破响应速度和探测灵敏度的制约，同时根据实际需求选取与之匹配的器件结构与工作机制从而进一步强化某些性能指标。

例如，对于光学成像或光谱分析，其响应速度要求通常为kHz-MHz级，故可重点考虑光栅压效应器件，利用其极大增益实现高灵敏度弱光探测，但亟需关注如何提升其线性度及动态范围。而对于高速光互联等应用，亟需发展>100GHz超大带宽光电探测器，或可选取金属-石墨烯-金属结构，但需关注如何提高其信噪比。此外，尽管二维材料异质结器件被认为有望实现响应度、带宽及灵敏度等综合高性能突破，但仍需在高可靠制备技术工艺等方面取得突破。

总的来讲，硅-二维材料光电探测器研究可分为材料级、器件级、链路级及商用级等几个层级，其发展还面临系列挑战：

（1）大规模、高质量、CMOS兼容的二维材料生长和转移工艺。

（2）全面突破响应度、速度、灵敏度、线性度以及稳定性等综合性能。

（3）二维材料器件制备均一性、可靠性、规模化等。