胡思奇，田睿娟，甘雪濤

（西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 超常條件材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和光場(chǎng)調(diào)控與信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710129）

1 引 言

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，信息的產(chǎn)生、處理、存儲(chǔ)等過(guò)程的數(shù)據(jù)量都面臨“爆炸式”增長(zhǎng)，僅在過(guò)去兩年中產(chǎn)生的數(shù)字信息量就占到了現(xiàn)有數(shù)據(jù)總量的九成[1]。與此同時(shí)，為支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和高性能計(jì)算能力繼續(xù)按照摩爾定律增長(zhǎng)[2]，需要極大地提升芯片間通信的帶寬密度（到2020年每個(gè)互連的帶寬密度需求已超過(guò)40 Gb/s[1]）。傳統(tǒng)集成電路電互連技術(shù)由于帶寬有限、電串?dāng)_和輸入/輸出引腳密度低等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足“信息爆炸”下高速高密度的數(shù)據(jù)處理需求[3]。光互連具有超大帶寬、低功耗和低串?dāng)_等優(yōu)勢(shì)，有望替代傳統(tǒng)電互連，實(shí)現(xiàn)高速信息交換[4]。

硅基光子技術(shù)的發(fā)展使得硅基光電子芯片成為將光互連應(yīng)用于芯片上和芯片間信息交互的最有前途和最具吸引力的平臺(tái)之一[5]。硅的物理特性使得硅基光子技術(shù)具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）作為光傳輸波導(dǎo)的硅和包層之間具有高折射率差，可實(shí)現(xiàn)超低損耗的全反射光傳輸[6]；（2）硅具有1.1 eV的非直接帶隙，可提供從1.1μm到中紅外光波段的超寬透明窗口[7]；（3）硅波導(dǎo)具有可調(diào)控的色散和非線性[8]；（4）硅材料具有高損傷閾值、大熱導(dǎo)率以及成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）加工工藝[9]；（5）硅波導(dǎo)對(duì)傳輸光的強(qiáng)束縛作用有利于光模式的靈活設(shè)計(jì)，可用于實(shí)現(xiàn)諸如微環(huán)腔、偏振轉(zhuǎn)換、波分復(fù)用器等無(wú)源器件[10]。然而，完整的光互連芯片需要具有產(chǎn)生、調(diào)制和探測(cè)光的有源器件。盡管硅基光子技術(shù)在光互連方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但硅的物理特性使其在實(shí)現(xiàn)這些有源器件方面存在限制，需將其他有源材料與硅基光電子芯片進(jìn)行混合集成[11]。例如，硅的非直接帶隙使其高效發(fā)光一直是個(gè)難題；硅不存在線性電光效應(yīng)，無(wú)法類似鈮酸鋰實(shí)現(xiàn)高線性度、超高速的光調(diào)制，而基于硅載流子色散效應(yīng)的調(diào)制器插損大、速度受限、制備繁瑣；硅不吸收波長(zhǎng)大于1.1μm的光波，無(wú)法進(jìn)行通信波段光探測(cè)。

對(duì)于本文主要討論的硅基光電子芯片上混合集成的光電探測(cè)器，過(guò)去十多年內(nèi)，研究人員將鍺、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體等塊體材料集成于硅光子結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。然而由于這些傳統(tǒng)塊體半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與硅不匹配，使其直接生長(zhǎng)于硅襯底上存在很大技術(shù)挑戰(zhàn)性[12]，此外，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中引起的缺陷也會(huì)限制器件的光電性能[13]。另外，若將硅基光電芯片上光信號(hào)處理波段拓展到2μm及以上，上述塊體材料的光電響應(yīng)能力受限。

二維材料的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高性能光電探測(cè)器提供了新的可能。相比于鍺等傳統(tǒng)塊體半導(dǎo)體，二維材料在面向硅基光電子芯片光電探測(cè)器的混合集成具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）二維材料具有原子級(jí)平滑的無(wú)懸空鍵表面，無(wú)需考慮二維材料與硅襯底的晶格匹配問(wèn)題[14]；（2）由于原子級(jí)厚度、機(jī)械強(qiáng)度高、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，二維材料適用于成熟的CMOS加工工藝，可以與硅光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成[15]；（3）石墨烯、黑磷、黑磷砷等二維材料本征帶隙很小甚至為零，可實(shí)現(xiàn)寬光譜光電響應(yīng)，且響應(yīng)范圍可至中紅外甚至太赫茲波段[16]；（4）二維材料中自由載流子數(shù)量相對(duì)較低，可將探測(cè)器的暗電流抑制到較低水平，有利于室溫下的高靈敏探測(cè)[17]；（5）二維材料與其他材料（共軛高分子[18]、量子點(diǎn)[19]等）相比具有較高的載流子遷移率[20]，有望實(shí)現(xiàn)高速的光電響應(yīng)。因此，近年來(lái)將二維材料混合集成于硅光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能光電探測(cè)得到了廣泛研究。

本文圍繞可面向硅基光電子芯片混合集成的二維材料探測(cè)器展開(kāi)討論。首先，詳細(xì)介紹常用于構(gòu)建光電探測(cè)器的二維材料及其光電探測(cè)響應(yīng)機(jī)制；其次，對(duì)近幾年研究人員如何基于二維材料實(shí)現(xiàn)高性能硅光子集成光電探測(cè)器進(jìn)行綜述，總結(jié)器件結(jié)構(gòu)和主要性能參數(shù)，并分析器件高性能機(jī)理；最后，對(duì)提升硅光子集成二維材料光電探測(cè)器性能所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行討論，并展望了未來(lái)如何獲得綜合性能良好的集成二維材料探測(cè)器及其商業(yè)化應(yīng)用可能。

2 二維材料的基本特性

二維材料囊括了金屬性、半導(dǎo)體性和絕緣體性在內(nèi)的諸多材料屬性，其豐富的物理特性是實(shí)現(xiàn)高性能硅光子集成光電探測(cè)器的基礎(chǔ)。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹幾種常用于構(gòu)建光電探測(cè)器的二維材料，包括石墨烯、黑磷、過(guò)渡金屬硫化物、六方氮化硼及其異質(zhì)結(jié)。

2.1 石墨烯

2004年，Novoselov等首先利用機(jī)械剝離法分離出高質(zhì)量單層石墨烯（Graphene）[21]。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，石墨烯表現(xiàn)出許多卓越的光電性能，如可調(diào)控的電子結(jié)構(gòu)、強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用、高的三階光學(xué)非線性和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性。如圖1（a）所示，單層石墨烯為碳原子按六邊形排列的單原子平面結(jié)構(gòu)。

由于其能帶結(jié)構(gòu)中導(dǎo)帶和價(jià)帶存在交匯點(diǎn)或Dirac點(diǎn)，單層石墨烯為零帶隙的半金屬[22]，具有從可見(jiàn)光到太赫茲的超寬譜響應(yīng)范圍[23]。由于其完美無(wú)缺陷的晶格結(jié)構(gòu)，單層石墨烯在室溫下有著高達(dá)2×105cm2/V·s的超高載流子遷移率[24]和5 300 W/m·K的超高導(dǎo)熱率[25]，使得其具有飛秒級(jí)的超短弛豫時(shí)間[26]。因此，單層石墨烯是實(shí)現(xiàn)超快光電探測(cè)的理想材料。另外，盡管石墨烯的帶隙為零，但由于其體表比較大，通過(guò)靜電柵壓調(diào)控可使其費(fèi)米能級(jí)在1 eV上下移動(dòng)[27]，可實(shí)現(xiàn)p型（空穴占主導(dǎo)）與n型（電子占主導(dǎo)）靈活可變的極性。單層石墨烯也可作為透明電極，其在垂直入射的可見(jiàn)光下的光吸收率僅有2.3%[28]。另一個(gè)吸引人的特性是它可在極端化學(xué)環(huán)境下保持穩(wěn)定，并在機(jī)械應(yīng)力下具有極佳的延展性[29]，使得其易與硅光子結(jié)構(gòu)集成且器件加工與CMOS工藝兼容。

2.2 黑磷

隨著學(xué)術(shù)界對(duì)二維材料的深入探索，Zhang等于2014年報(bào)道了一種新的二維材料—黑磷（Black Phosphorus,BP）[30]。與石墨烯不同，BP具有層數(shù)依賴的直接帶隙，這讓研究人員非常感興趣。如圖1（b）所示，BP晶體是一種正交型晶體層狀結(jié)構(gòu)，其磷原子排列在褶皺的晶格中。因此，BP的電導(dǎo)率和光導(dǎo)率具有很強(qiáng)的面內(nèi)各向異性[31]。在單層BP中，每個(gè)磷原子由sp3雜化軌道與其他3個(gè)相鄰磷原子鍵合[32]。由于在垂直方向上存在對(duì)BP薄膜的電子約束，BP的帶隙大小隨著層數(shù)的減少而呈線性增加——從0.3 eV帶隙的塊體過(guò)渡到2 eV帶隙的單層[33]，使其具有從可見(jiàn)光至中波紅外波段的光吸收[34]。另外，BP的帶隙可進(jìn)一步通過(guò)化學(xué)摻雜[35]或電場(chǎng)調(diào)控[36]來(lái)調(diào)整。BP還有以下優(yōu)勢(shì)：在室溫下達(dá)到1 350 cm2/V·s的高載流子遷移率[37]以及皮秒級(jí)的弛豫時(shí)間[38]。具有這些優(yōu)異特性的BP為開(kāi)發(fā)通信波長(zhǎng)至中紅外波長(zhǎng)范圍的高性能光電器件提供了新的機(jī)會(huì)[39]。此外，BP固有的各向異性晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其對(duì)入射光的吸收具有偏振依賴性[31]，可實(shí)現(xiàn)偏振敏感的光探測(cè)應(yīng)用。值得指出的是，在外界環(huán)境中少層BP的穩(wěn)定性較差，這是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)在BP器件制備和測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)封裝保護(hù)可在兩周內(nèi)保持BP薄層的穩(wěn)定性[40]。目前成熟的半導(dǎo)體器件封裝工藝可有效避免對(duì)BP有破壞作用的氧、水、光等因素，可保證BP器件未來(lái)走向應(yīng)用。

2.3 過(guò)渡金屬硫化物

過(guò)渡金屬硫化物（Transition Metal Dichalcogenides,TMDCs）是二維材料家族中材料體系最豐富的一類。如圖1（c）所示，TMDCs材料為三明治型晶格結(jié)構(gòu)，通常具有MX2的化學(xué)式，其中M表示過(guò)渡族金屬（鉬、鎢等），X表示硫族元素（硫、硒、碲等）[41]。TMDCs材料根據(jù)單層原子結(jié)構(gòu)及堆垛方式不同，可以有2H、1T'等相，使其可以表現(xiàn)出半導(dǎo)體或半金屬特性。與石墨烯的層間結(jié)構(gòu)相似，TMDCs材料層與層之間以弱范德華力的形式堆疊，因此也可以使用機(jī)械剝離法來(lái)獲得單層TMDCs材料。然而與石墨烯對(duì)垂直入射光的弱吸收不同的是，具有直接帶隙的單層2H相TMDCs由于具有較大的激子束縛能，其與入射光間的相互作用強(qiáng)[42]，在近紅外到紫外波段光吸收率可以達(dá)到10%[43]，這使得TMDCs材料可用于高靈敏的光電探測(cè)器。然而TMDCs具有較大的帶隙，以二硫化鉬（MoS2）[44]、二硫化鎢（WS2）[45]、二硒 化 鉬（MoSe2）[46]和 二 硒 化 鎢（WSe2）[47]為例，它們的帶隙在1.0~2.5 eV范圍內(nèi)[48]。對(duì)于1T'相TMDCs，其半金屬特性更是可以支持寬帶的光電探測(cè)，且具有類似石墨烯的超快光電響應(yīng)[49-50]。另外，TMDCs的帶隙也可通過(guò)多種手段進(jìn)行調(diào)控并進(jìn)一步拓展其光電響應(yīng)波段，如材料厚度、元素?fù)诫s、靜電摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等。

2.4 六方氮化硼

六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride, hBN）具有和石墨烯相似的六方蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，其中硼和氮原子交替分布，如圖1（d）所示。hBN具有絕緣體的特性和6 eV左右的大帶隙[51]，只在紫外區(qū)域（230 nm）具有半峰寬約為300~400 meV的光致熒光峰[52]，而在硅光子技術(shù)工作的通信波段（1.2μm到中紅外）完全透明。雖然hBN直接作為光電探測(cè)器存在響應(yīng)波段的限制，但是其具有高導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和無(wú)需擔(dān)心晶格失配的優(yōu)點(diǎn)，可在靜電調(diào)控其他二維材料時(shí)作為絕緣體[53]并提供原子級(jí)平滑的潔凈界面，對(duì)高性能光電器件的制備具有重要作用。

圖1 硅光子集成二維材料光電探測(cè)器示意圖(a) 石墨烯[21]；(b)黑磷[30]；(c)過(guò)渡金屬硫化物[41]；(d)六方氮化硼的晶格結(jié)構(gòu)[51]Fig.1 Schematic diagram of silicon photonic integrated two-dimensional material photodetectors.Crystal structures of(a)Graphene[21],(b)BP[30],(c)TMDCs[41]and (d)hBN[51]

2.5 二維材料異質(zhì)結(jié)

由于表面無(wú)懸掛鍵的二維材料無(wú)需考慮晶格失配問(wèn)題[54]，故可直接將不同二維材料垂直堆疊在一起，通過(guò)范德華力結(jié)合構(gòu)建二維材料異質(zhì)結(jié)[55]。特別是這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)晶格排列、帶隙工程以及不同層之間的耦合效應(yīng)來(lái)進(jìn)一步設(shè)計(jì)[56]，以提供單一類型二維材料中不具備的物理特性，從而可制備具有各種新穎光特性的器件。迄今為止，已經(jīng)出現(xiàn)了大量二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括TMDCs/石墨烯、TMDCs/TMDCs、TMDCs/BP、BP/石墨烯，為光電探測(cè)器性能提升提供了新途徑[57]。

2.6 其他二維材料

得益于納米技術(shù)的飛速發(fā)展，其他具有獨(dú)特物理特性的新興二維材料如MXene、硒化銦、石墨炔和鈣鈦礦納米片等也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。下面依次對(duì)這幾種二維材料進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。MXene材料代表二維過(guò)渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，通式為Mn+1XnTx，其中M表示過(guò)渡金屬（鈧Sc，鈦Ti，等），X表示碳化物或氮化物，T對(duì)應(yīng)于表面成分（羥基OH、氟F等），n= 1，2，3。豐富的材料成分和表面功能使得MXene具有出色的物理特性可調(diào)控性，包括低光損耗、可控的帶隙和大導(dǎo)電率。例如，Ti3C2Tx量子點(diǎn)在460 nm的光致熒光峰處具有約為10%的量子產(chǎn)率，數(shù)十ns的熒光壽命和約為1%的較小吸收率[58]。硒化銦（Indium Selenide,InSe）是一種少層為直接帶隙的Ⅲ-Ⅵ族層狀材料，其帶隙范圍包括1.26 eV的塊體到2.11 eV的單層[59]。特別地，少層InSe不僅具有極強(qiáng)的量子局域效應(yīng)和室溫下高于1 000 cm2/V·s的電子遷移率[60]，而且還表現(xiàn)出較大的光響應(yīng)性（>1 A/W）和較快的響應(yīng)時(shí)間（μm~ms）[61]，是一種優(yōu)良的二維光電材料。石墨炔（Graphdiyne）是石墨烯的碳雜化同素異形體，根據(jù)晶格結(jié)構(gòu)的不同，單層石墨炔有0.44~1.47 eV的窄帶隙和相對(duì)短的光致熒光壽命（≈ 1.6 ns）[62]。鈣鈦礦納米片是另一類重要的二維材料，具有許多出色的特性，包括合適的帶隙、高功率下良好的光電轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)異的光吸收能力和大的載流子遷移率[63–65]。這些新興的二維材料借助自有的獨(dú)特光學(xué)和電子特性也可為硅基光子集成光電探測(cè)器提供優(yōu)異材料體系。

3 二維材料光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制

目前已報(bào)道的二維材料光電探測(cè)器具有多種光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光柵效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光熱電效應(yīng)和光輻射熱效應(yīng)等。這些豐富的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制極大地拓展了二維材料在光電探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，二維材料光電探測(cè)器也可進(jìn)一步分為兩類：光子探測(cè)器（包括光電晶體管和光電二極管）和熱探測(cè)器。以下詳細(xì)介紹這些光電轉(zhuǎn)換機(jī)制。

3.1 光電導(dǎo)效應(yīng)(Photoconductive Effect，PCE)

光電導(dǎo)效應(yīng)為材料吸收光子產(chǎn)生額外的自由載流子由此導(dǎo)致材料本身電導(dǎo)率增加的過(guò)程。如圖2（a）所示，典型的二維材料光電導(dǎo)型探測(cè)器由作為導(dǎo)電溝道的二維材料和溝道兩端形成歐姆接觸的源/漏電極組成。

在源/漏電極之間施加驅(qū)動(dòng)偏壓（Vds），無(wú)光照時(shí)，器件中僅有很小的溝道電流流動(dòng)（暗電流Id）。在光照下，能量大于半導(dǎo)體帶隙的光子被二維材料吸收，導(dǎo)致材料中產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。然后，光生電子-空穴對(duì)被Vds分開(kāi)，分離的自由電子和空穴分別向著源極和漏極漂移。該過(guò)程導(dǎo)致溝道電流的凈增加，即產(chǎn)生光電流Iph。值得注意的是，通常發(fā)生在二維材料表面和界面處的光生載流子再?gòu)?fù)合會(huì)導(dǎo)致光電流減小。通常大的驅(qū)動(dòng)偏壓Vds有助于光生電子-空穴對(duì)的分離和提高光生載流子的傳輸效率。光生載流子的壽命對(duì)光電導(dǎo)型探測(cè)器的增益（G）和響應(yīng)速度有重要影響。光電導(dǎo)型探測(cè)器的增益可能大于1。在適當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓Vds下，多數(shù)載流子（假定為電子）具有比少數(shù)載流子（空穴）高的遷移率，光激發(fā)的電子在溝道上的漂移速率比光激發(fā)的空穴的漂移速率更大，因此電子的傳輸時(shí)間比空穴短得多。為了保持器件的電中性，在空穴的壽命期間，從另一個(gè)電極提供更多的電子并在通道中多次循環(huán)。增益G的大小取決于空穴壽命（τlifetime）與電子渡越時(shí)間（τtransit）的比率，即G=τlifetime/τtransit。為了獲得高增益，應(yīng)該縮短電子傳輸時(shí)間和盡量延長(zhǎng)空穴的壽命。然而，與載流子復(fù)合過(guò)程有關(guān)的響應(yīng)時(shí)間也由空穴壽命決定，這意味著高增益會(huì)降低探測(cè)器的響應(yīng)速度。因此，必須在增益和響應(yīng)速度之間進(jìn)行權(quán)衡，以獲得整體性能理想的二維材料光電導(dǎo)型探測(cè)器。

3.2 光柵效應(yīng)(Photogating Effect，PGE)

光柵效應(yīng)可以視為光電導(dǎo)效應(yīng)的特例。如圖2（b）所示，在光照下，二維材料中會(huì)生成電子-空穴對(duì)，然后載流子（電子或空穴）中會(huì)被存在于二維材料的表面或缺陷處的一些局域態(tài)捕獲[66]。另一種情況是光生電子-空穴對(duì)在二維材料表面的吸附物或電荷陷阱中產(chǎn)生[67]，其中一種類型的載流子被轉(zhuǎn)移到溝道中，另一種帶相反電荷的載流子被吸附而截留在材料表面。由于靜電感應(yīng)的存在，這些被俘獲的載流子可有效地調(diào)節(jié)材料中的感生電荷而起到局部柵極調(diào)控的作用。溝道中的載流子可以在被俘獲的另一種載流子的壽命期間多次循環(huán)，從而產(chǎn)生高增益。光柵效應(yīng)在具有大表面積/體積比的二維材料中尤其明顯[68]。盡管具有光柵效應(yīng)的光電探測(cè)器可以比光電導(dǎo)型具有更高的增益，但它們通常會(huì)遇到器件響應(yīng)速度較慢的問(wèn)題（ms甚至s量級(jí)）。因此對(duì)于硅基集成二維光電探測(cè)器，應(yīng)盡可能避免PGE效應(yīng)，即減少器件中的缺陷和電荷陷阱等局域態(tài)的產(chǎn)生。

3.3 光伏效應(yīng)(Photovoltaic Effect，PVE)

光伏效應(yīng)是通過(guò)器件本身的內(nèi)建電場(chǎng)分離光生電子-空穴對(duì)，并將電子和空穴朝相反方向驅(qū)動(dòng)并形成光電流效應(yīng)[69]，如圖2（c）所示。內(nèi)建電場(chǎng)通常在兩種存在顯著功函數(shù)差異的材料結(jié)處（半導(dǎo)體耗盡區(qū)）產(chǎn)生。利用光伏效應(yīng)響應(yīng)的光電探測(cè)器稱為光電二極管。光電二極管可以是由兩種具有相反摻雜類型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)光電二極管，也可以是在半導(dǎo)體和金屬接觸界面處形成的肖特基結(jié)光電二極管。p-i-n結(jié)光電二極管是p-n結(jié)光電二極管的一個(gè)特例，其中“i”代表插入p-n結(jié)之間的本征半導(dǎo)體層。光電二極管在黑暗中通常顯示不對(duì)稱的電流-電壓特性（整流行為），而該器件在光照下可以兩種模式工作，即光伏模式（零偏置）和光導(dǎo)模式（反向偏置）。在光伏模式下，光生電子-空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分開(kāi)，分離的電子和空穴被電極收集而產(chǎn)生光電流（短路電流，ISC），輸出電信號(hào)也可以是光電壓（開(kāi)路電壓，VOC），其可在保持電路開(kāi)路下獲得。在此模式下工作的光電二極管具有最低的暗電流，并具有最大的線性度和靈敏度，從而提高了探測(cè)能力。在光導(dǎo)模式下，施加偏置電壓的外部電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，從而提高了電子-空穴對(duì)的分離效率，并由于減少了載流子傳輸時(shí)間和降低了二極管電容而提高了響應(yīng)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏模式下的光電二極管非常適合高靈敏應(yīng)用，而光電導(dǎo)模式下的光電二極管更適合于高速應(yīng)用。雖然光電二極管實(shí)現(xiàn)的最大單位增益遠(yuǎn)小于通過(guò)光電導(dǎo)效應(yīng)或光柵效應(yīng)工作的光電探測(cè)器，但是足夠大的反向偏置可導(dǎo)致光電二極管雪崩倍增或擊穿（雪崩光電二極管，APD），其中具有足夠能量的光生電子會(huì)引發(fā)碰撞電離，從而提供較大的內(nèi)部電流增益。

3.4 光熱電效應(yīng)(Photo-thermoelectric Effect，PTE)

光熱電效應(yīng)也稱為Seebeck效應(yīng)，如圖2（d）所示。光照下，被材料吸收的光子能量轉(zhuǎn)換成熱能。由于摻雜、厚度變化等原因，二維材料的不同區(qū)域可以存在不同的Seebeck系數(shù)，從而導(dǎo)致材料不同區(qū)域之間存在溫度差（ΔT）。載流子會(huì)在溫度梯度作用下定向移動(dòng)從而產(chǎn)生電壓差，即光熱電壓（VPTE）。光熱電壓VPTE可表示為[70]

圖2 光電轉(zhuǎn)換機(jī)制。(a)光電導(dǎo)效應(yīng)；(b)光柵效應(yīng)；(c)光伏效應(yīng)；(d)光熱電效應(yīng)；(e)輻射熱效應(yīng)Fig.2 Photoelectric conversion mechanism.(a)Photoconductive effect;(b)photogating effect;(c)photovoltaic effect;(d)photo-thermoelectric effect and(e)photo-bolometric Effect

其中S1，S2是不同區(qū)域的Seebeck系數(shù)。光熱電壓可以使器件在零偏壓的情況下在溝道中產(chǎn)生電流。石墨烯、BP等二維材料上均實(shí)現(xiàn)了基于光熱電效應(yīng)的探測(cè)器，且均表現(xiàn)出超高速響應(yīng)和高內(nèi)部量子效率[70-71]。

3.5 光輻射熱效應(yīng)(Photo-Bolometric Effect,PBE)

光輻射熱效應(yīng)是指材料在光照下被均勻加熱，引起材料的電阻變化[72]，如圖2（e）所示。二維材料光輻射熱探測(cè)器的靈敏度由熱阻Rh=dT/dP決定，其中T為材料溫度，P為入射光單位面積光強(qiáng)。光輻射熱效應(yīng)可以發(fā)生在亞毫米波甚至毫米波作用下，因此光輻射熱探測(cè)器可滿足中紅外及遠(yuǎn)紅外波段的光探測(cè)。已有研究報(bào)道了石墨烯光電探測(cè)器[73]和厚度約為100 nm的多層BP光電探測(cè)器[74]中的光輻射熱效應(yīng)，由于兩種材料中的載流子與聲子的耦合較弱，載流子很容易被加熱。

4 基于二維材料的硅光子集成光電探測(cè)器研究進(jìn)展

二維材料豐富且優(yōu)異的物理特性使其在光電探測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其原子級(jí)厚度及無(wú)懸掛鍵的表面，有利于與硅光子結(jié)構(gòu)集成。本節(jié)將介紹一些基于石墨烯、TMDCs和BP的硅光子集成二維材料光電探測(cè)器。

4.1 基于石墨烯的硅光子集成光電探測(cè)器

石墨烯的零帶隙使其在深紫外至太赫茲波段內(nèi)具有光吸收能力[11]。這種波段極寬的光學(xué)響應(yīng)范圍是任何其他已知材料都無(wú)法比擬的。尤其是對(duì)于用于光通信的硅基光電子芯片，在與石墨烯集成后，可實(shí)現(xiàn)在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波分復(fù)用和探測(cè)。另外，石墨烯具有的超高載流子遷移率，可實(shí)現(xiàn)硅基光電子芯片上的超高速光探測(cè)。Xia等展示了第一個(gè)垂直光入射的石墨烯光電探測(cè)器。該器件在1 550 nm通信波長(zhǎng)下具有高達(dá)40 GHz的工作帶寬，其本征工作帶寬更是有望超過(guò)500 GHz[75]，這充分說(shuō)明了石墨烯在超高速光探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。由于石墨烯在垂直入射光下的光吸收率僅約為2.3%，該石墨烯探測(cè)器僅有0.5 mA/W的光響應(yīng)率，而硅光子技術(shù)可以彌補(bǔ)石墨烯探測(cè)器響應(yīng)率低的缺點(diǎn)。通過(guò)將石墨烯與硅光子波導(dǎo)相集成，通過(guò)波導(dǎo)倏逝場(chǎng)與石墨烯的相互作用，可以極大增加石墨烯與光場(chǎng)的相互作用距離，從而提高石墨烯上的光吸收。Gan等展示了金屬接觸電極相對(duì)波導(dǎo)位置非對(duì)稱的石墨烯波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[76]，如圖3（a）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，其響應(yīng)率有著顯著提高。該器件通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)將機(jī)械剝離的雙層石墨烯精確轉(zhuǎn)移至硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上[51]。一方面，通過(guò)將石墨烯與硅波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)耦合，該器件在53μm的耦合長(zhǎng)度中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)60%的光吸收率。另一方面，通過(guò)將電極不對(duì)稱地放置在波導(dǎo)的兩側(cè)，利用石墨烯和金屬之間功函數(shù)的差異形成橫向金屬摻雜結(jié)，使得器件在零偏壓下能夠分離光生電子-空穴對(duì)產(chǎn)生光電流。實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外加偏置的高性能石墨烯探測(cè)器，其在1 450~1 590 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持平坦的高響應(yīng)率（0.1 A/W），20 GHz高頻測(cè)量?jī)H出現(xiàn)1 dB信號(hào)衰減且在12 GHz數(shù)據(jù)通信鏈路上呈現(xiàn)清晰眼圖。與此同時(shí)，Wang等和Pospischil等也分別報(bào)道了硅波導(dǎo)集成的石墨烯探測(cè)器，闡述了其寬光譜、高響應(yīng)率、CMOS工藝兼容等特性[77-78]。這些研究結(jié)果充分展示了石墨烯在硅光子集成光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[79-84]。

圖3 基于石墨烯的硅光子集成光電探測(cè)器。(a)金屬電極非對(duì)稱的硅波導(dǎo)集成石墨烯光電探測(cè)器[76]；(b)硅波導(dǎo)集成的高響應(yīng)率hBN/石墨烯/hBN結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器[79]；(c)硅納米槽波導(dǎo)集成的石墨烯p-n結(jié)探測(cè)器[80]；(d)覆蓋所有光通信波段且CMOS兼容的波導(dǎo)集成石墨烯光電探測(cè)器[78]；(e)蝴蝶結(jié)狀等離子金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的波導(dǎo)集成石墨烯光電探測(cè)器[83]；(f)用于1.55和2μm光探測(cè)的金屬等離子體增強(qiáng)石墨烯硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[84]Fig.3 Graphene-based silicon photonic integrated photodetectors.(a)A waveguide-integrated graphene photodetector with asymmetric metal electrodes[76].(b)High-responsivity hBN/graphene/hBN photodetector on a buried silicon waveguide[79].(c)A graphene photodetector integrated on a silicon slot-waveguide with a p-n junction[80].(d)CMOScompatible graphene photodetector covering all optical communication bands[78].(e)Plasmonically-enhanced waveguide-integrated graphene photodetector.The optical field is enhanced at the edges and in the gap of the bowtie-shaped structures[83].(f) A silicon-graphene hybrid plasmonic waveguide photodetector for 1.55 and 2μm detection[84]

然而，相比與如今商業(yè)化的InGaAs紅外探測(cè)器1.2 A/W的光響應(yīng)率，上述石墨烯探測(cè)器的響應(yīng)率還比較低。為了進(jìn)一步提升硅光子集成石墨烯探測(cè)器的響應(yīng)率，研究人員又進(jìn)行了系列研究，具體可分為兩個(gè)思路。一種是提高光電轉(zhuǎn)換效率，例如增加外加電壓或調(diào)控石墨烯光吸收區(qū)的摻雜。然而，增加外加電壓會(huì)導(dǎo)致器件的功耗和暗電流相應(yīng)增加，因此該思路并不是一個(gè)好的選擇。另一種是通過(guò)延長(zhǎng)吸收區(qū)的長(zhǎng)度或增強(qiáng)石墨烯與波導(dǎo)模式的相互作用來(lái)增強(qiáng)石墨烯的光吸收。但是，當(dāng)吸收區(qū)長(zhǎng)度延長(zhǎng)，器件的面積和電容也會(huì)相應(yīng)增加，這會(huì)降低器件的響應(yīng)速度，不利于其在高速通信的應(yīng)用。因此，近年來(lái)人們?cè)絹?lái)越關(guān)注通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯光響應(yīng)區(qū)的摻雜和增強(qiáng)石墨烯與光的相互作用來(lái)提高硅光子集成石墨烯探測(cè)器的響應(yīng)率。

對(duì)于改變石墨烯光響應(yīng)區(qū)的摻雜水平，可以通過(guò)柵極電壓靜電摻雜對(duì)石墨烯中載流子濃度進(jìn)行調(diào)控。Shiue等人提出了一種hBN/石墨烯/hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)與硅波導(dǎo)集成的高響應(yīng)率光電探測(cè)器[79]，如圖3（b）所示。該器件將多層hBN、單層石墨烯和多層hBN依次轉(zhuǎn)移堆疊至硅波導(dǎo)上，通過(guò)引入額外的柵極電壓調(diào)節(jié)石墨烯光響應(yīng)區(qū)的費(fèi)米能級(jí)。該器件的光電流主要由PTE效應(yīng)產(chǎn)生，其光響應(yīng)率與Seebeck系數(shù)和溫度梯度緊密相關(guān)。由于Seebeck系數(shù)極大依賴于載流子密度和石墨烯的化學(xué)勢(shì)，因此可通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)穆┰措妷汉蜄艠O電壓來(lái)優(yōu)化Seebeck系數(shù)以提高器件的響應(yīng)率。由于石墨烯被封裝在hBN中，且利用石墨烯/hBN的一維邊緣接觸，器件具有約77Ω的超低電阻和8×104cm2/V·s的超高遷移率。因此，該器件在1.2 V偏壓下工作時(shí)具有0.36 A/W的較大響應(yīng)率和42 GHz的3 dB帶寬。為了更精確地控制石墨烯的摻雜水平，Schuler等人提出了一種基于硅納米槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的石墨烯集成探測(cè)器[80]。該器件可通過(guò)兩個(gè)分離的雙柵結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯進(jìn)行靜電摻雜，實(shí)現(xiàn)器件在光吸收區(qū)域p-n結(jié)的構(gòu)建，如圖3（c）所示。該器件通過(guò)將機(jī)械剝離法制備的單層石墨烯轉(zhuǎn)移至硅納米槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，在這種器件結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)的模態(tài)場(chǎng)在納米槽中被極大地束縛和增強(qiáng)，并且石墨烯的摻雜可通過(guò)使用雙柵極電壓來(lái)控制，以形成理想的Seebeck系數(shù)空間分布。在這種情況下，器件零偏壓下可觀察到一個(gè)很強(qiáng)的PTE效應(yīng)，其響應(yīng)率為36 mA/W，并且在0.3 V偏壓下得到76 mA/W的響應(yīng)率和高達(dá)65 GHz的3 dB帶寬。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升器件的響應(yīng)率，Schuler等通過(guò)使用光子晶體波導(dǎo)雙柵結(jié)構(gòu)控制整個(gè)石墨烯器件通道中的Seebeck系數(shù)[81]。該器件將由PTE效應(yīng)產(chǎn)生的響應(yīng)率進(jìn)一步提高到48 mA/W，并且器件在0.4 V偏壓下具有170 mA/W的響應(yīng)率和18 GHz的3 dB帶寬。

對(duì)于增強(qiáng)石墨烯與光的相互作用，通過(guò)具有非常強(qiáng)局部化場(chǎng)的金屬等離子體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)石墨烯的光吸收是一種比較好的方法。Pospischil等報(bào)道了一種金屬等離子體增強(qiáng)的石墨烯-硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[78]，其在波導(dǎo)的中心放置了一個(gè)金屬電極天線，如圖3（d）所示。器件通過(guò)簡(jiǎn)單的三步工藝制造：硅波導(dǎo)的蝕刻和鈍化，石墨烯的沉積和圖案化，金屬電極的制備。該器件利用金屬電極天線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了石墨烯的光吸收，并且光生載流子可以被金屬-石墨烯界面的內(nèi)建電場(chǎng)有效地分離。測(cè)試結(jié)果表明，基于該結(jié)構(gòu)的單層石墨烯器件響應(yīng)率約為30 mA/W，而雙層石墨烯的響應(yīng)率可提高到50 mA/W。該結(jié)構(gòu)器件具有18 GHz的3 dB帶寬并且能夠?qū)崿F(xiàn)全光通信頻段的超寬帶響應(yīng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了已報(bào)道的應(yīng)變鍺光電探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍[82]。Ma等展示了另一種金屬等離子體增強(qiáng)的石墨烯-硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[83]，其在6μm長(zhǎng)的石墨烯吸收區(qū)上設(shè)計(jì)了蝴蝶結(jié)狀對(duì)稱型金屬等離子體結(jié)構(gòu)，如圖3（e）所示。將化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）生長(zhǎng)的石墨烯層轉(zhuǎn)移至平面化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的硅光子晶片上并圖案化，具有nm級(jí)間隙的蝶形金屬結(jié)構(gòu)被放置在石墨烯的頂部，并與下方的Si波導(dǎo)對(duì)稱排列。該探測(cè)器在PBE效應(yīng)下工作，輸出光電流相對(duì)于偏壓方向?yàn)樨?fù)值，在0.4 V偏壓下具有500 mA/W的響應(yīng)率，并且該探測(cè)器具有超過(guò)110 GHz的3 dB帶寬，可以接收100 Gbit/s的二進(jìn)制啟閉鍵控（OOK）和四脈沖幅度調(diào)制（PAM4）數(shù)據(jù)信號(hào)。盡管光與石墨烯的相互作用通過(guò)金屬等離子體結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)，但在這些結(jié)構(gòu)中存在著大量不必要的金屬吸收損耗，大大限制了器件的響應(yīng)率。為減少金屬等離子體對(duì)波導(dǎo)傳輸光信號(hào)的吸收損耗，Dai等展示了一種低損耗的等離子體增強(qiáng)石墨烯-硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[84]。該器件結(jié)構(gòu)在硅波導(dǎo)脊的頂部放置一條約200 nm的窄金屬條以實(shí)現(xiàn)金屬等離子體場(chǎng)增強(qiáng)，如圖3（f）所示。CVD生長(zhǎng)的單層石墨烯被轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)基片上，并通過(guò)EBL和ICP蝕刻工藝進(jìn)行圖案化。由于硅波導(dǎo)脊非常寬和超薄，使得增強(qiáng)石墨烯吸收的同時(shí)，降低金屬的吸收損耗，并且通過(guò)施加?xùn)艠O電壓優(yōu)化石墨烯光吸收區(qū)中的摻雜水平，該器件中石墨烯的吸收系數(shù)達(dá)到了0.23 dB/μm。通過(guò)這種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該硅光子集成石墨烯探測(cè)器在0.3 V工作偏壓下，1 550 nm波段處具有大于40 GHz的3 dB帶寬和400 mA/W的較高響應(yīng)率，且在2 μm波段處具有大于20 GHz的3 dB帶寬和70 mA/W的響應(yīng)率。以上諸多研究結(jié)果表明，石墨烯與硅光子集成可實(shí)現(xiàn)超高速、較高響應(yīng)率的光電探測(cè)應(yīng)用。然而由于石墨烯本身的零帶隙特性，光電探測(cè)器通常由于暗電流過(guò)高而不具有大的信噪比，不適用于對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)。Wang等首先提出了一種基于石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[77]，其中面內(nèi)耦合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了機(jī)械剝離制備的單層石墨烯與光的相互作用，而石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)可以有效抑制器件的暗電流并增大對(duì)中波紅外的吸光率。該器件在通過(guò)施加1.5 V的偏壓，室溫下在2.75μm中紅外波長(zhǎng)處獲得了130 mA/W的較高響應(yīng)率和104量級(jí)的光/暗電流比。但是由于異質(zhì)結(jié)本身電容與阻抗對(duì)器件響應(yīng)速度的影響，該器件的工作帶寬只有2 MHz。因此還需要對(duì)其他二維材料在硅光子集成光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用可能進(jìn)行探索。

4.2 基于黑磷的硅光子集成光電探測(cè)器

與石墨烯不同，黑磷（BP）的直接帶隙隨層數(shù)在0.3~2 eV之間變化，覆蓋了可見(jiàn)至中紅外光譜范圍。Buscema等展示了第一個(gè)基于BP的寬波長(zhǎng)范圍響應(yīng)光電探測(cè)器，其主要結(jié)構(gòu)由基于3~8 nm的薄層BP的場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成[85]。由于入射光垂直入射，該BP器件僅有4.8 mA/W的響應(yīng)率，器件光響應(yīng)上升（下降）時(shí)間約為1 ms（4 ms）。Li課題組報(bào)道了第一個(gè)基于機(jī)械剝離多層BP的硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[86]，如圖4(a)(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。該器件通過(guò)在多層BP上沉積氧化鋁并將一層石墨烯作為柵電極，可以在不同柵極電壓的靜電摻雜下測(cè)量光響應(yīng)，并觀察到不同摻雜水平下兩種不同器件的光電流產(chǎn)生機(jī)制。在較高摻雜水平下，較慢的光輻射熱效應(yīng)主導(dǎo)器件光電流產(chǎn)生，由于熱擴(kuò)散速度的限制，器件的3 dB帶寬僅為200 kHz。在低摻雜水平下光電流主導(dǎo)機(jī)制為光伏效應(yīng)，器件的3 dB帶寬超過(guò)3 GHz。同時(shí)，由于摻雜水平較低使得暗電流大大降低。該器件在室溫下表現(xiàn)出對(duì)通信波段光出色的光響應(yīng)，對(duì)于11.5 nm和100 nm的BP，器件的光響應(yīng)率分別為135 mA/W和657 mA/W。為進(jìn)一步提高BP探測(cè)器的響應(yīng)率，該課題組還提出了一種硅光子與等離子體金屬光柵結(jié)構(gòu)混合集成的BP光電探測(cè)器[87]，如圖4(b)(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。該器件由構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)絕緣體硅（SOI）平臺(tái)的3層結(jié)構(gòu)組成：底層為具有低傳輸損耗的硅光子波導(dǎo)層；中間層是包含金屬光柵和納米間隙的等離子結(jié)構(gòu)層；頂層為與金屬光柵直接接觸的BP薄片和氧化鋁介電層及頂部柵電極。在等離子結(jié)構(gòu)下方的波導(dǎo)上也刻有光柵，其可通過(guò)間隔層將光發(fā)射出平面，將波導(dǎo)中的光耦合到金屬光柵的納米間隙中。金屬光柵將耦合的光轉(zhuǎn)換為表面等離子激元波，并將其聚焦到金屬光柵的納米間隙中，從而顯著增強(qiáng)BP薄片的光吸收。由于高光電導(dǎo)增益，該器件在1 550 nm通信波段具有高達(dá)1×104mA/W的響應(yīng)率，同時(shí)該結(jié)果也說(shuō)明了利用等離子體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)硅光子集成BP探測(cè)器性能的可行性和應(yīng)用前景。

得益于硅光子波導(dǎo)本身支持通信波段后的波長(zhǎng)光傳輸以及BP對(duì)直至中紅外波段的光響應(yīng)，基于BP的硅光子集成探測(cè)器可極大地拓寬硅光子器件的波長(zhǎng)應(yīng)用范圍。Dai等展示了一種工作在2 μm波長(zhǎng)的硅光子集成BP探測(cè)器[88]，如圖4(c)(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。該器件使用SOI上脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)且選擇40 nm中等厚度的BP薄片以獲得高的光吸收和低的模式失配損耗。BP薄膜能夠很好地覆蓋SOI脊型波導(dǎo)的頂面和側(cè)壁，從而增強(qiáng)了對(duì)脊型波導(dǎo)中橫電?；＃═E0）的光吸收。在0.4 V的低偏置電壓下，該器件的響應(yīng)率高達(dá)306.7 mA/W，3 dB帶寬高達(dá)1.33 GHz。超過(guò)3μm的中紅外區(qū)域是覆蓋大氣窗口以及分子指紋區(qū)域的重要電磁頻譜范圍。Huang等展示了可用于中紅外光探測(cè)的波導(dǎo)集成BP探測(cè)器，其工作波段為3.68~4.03μm[89]，如圖4(d)(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。與其他BP與硅光子波導(dǎo)集成的探測(cè)器結(jié)構(gòu)不同，該器件中BP薄片集成于光柵耦合器上，光從光纖耦合到輸入光柵耦合器，通過(guò)波導(dǎo)傳輸，并通過(guò)輸出光柵耦合器耦合到BP光電探測(cè)器中。硅波導(dǎo)和光柵耦合器確保了縱向光傳播和面外耦合，從而增強(qiáng)了光與BP之間的相互作用。當(dāng)BP的晶格取向、兩電極間的載流子傳輸方向和波導(dǎo)中傳播模式的偏振同時(shí)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，器件可獲得最佳的響應(yīng)率。在1 V的偏置電壓下，該器件在室溫環(huán)境中具有在3.68μm處23 mA/W和在4μm處2 mA/W的光響應(yīng)性以及小于1 nW/Hz1/2的噪聲等效功率。

圖4 基于BP的硅光子集成光電探測(cè)器。(a)具有高響應(yīng)率和低暗電流的BP光電探測(cè)器[86]；(b)硅波導(dǎo)與等離子體金屬光柵結(jié)構(gòu)三維集成的BP光電探測(cè)器[87]；(c)工作在2μm波長(zhǎng)的高速高響應(yīng)率硅波導(dǎo)集成BP光電探測(cè)器[88]；(d)可用于中紅外光探測(cè)的硅波導(dǎo)集成BP探測(cè)器[89]Fig.4 BP-based silicon photonic integrated photodetectors.(a)Waveguide-integrated BP photodetector with high responsivity and a low dark current[86];(b)three-dimensional integration of a BP photodetector with silicon waveguide and nanoplasmonics grating[87];(c)high-speed and high-responsivity hybrid silicon/BP waveguide photodetectors at 2μm[88];(d)waveguide-integrated BP photodetector for mid-infrared applications[89]

4.3 基于TMDCs及其異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的硅光子集成光電探測(cè)器

TMDCs材料具有強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用，可極大地提高光電探測(cè)器件的性能。然而，由于TMDCs的直接帶隙（單層）主要位于可見(jiàn)光范圍（1.65~2.2 eV），大多數(shù)報(bào)道的TMDCs光電器件都集中在這部分光譜范圍內(nèi)[90]。MoTe2是一種帶隙可延伸到近紅外光譜的TMDCs材料，其可響應(yīng)通信O波段（1 260~1 360 nm）內(nèi)的光子[91]，是首先應(yīng)用于硅光子集成光電探測(cè)器的TMDCs材料。Bie等將機(jī)械剝離的雙層MoTe2集成到光子晶體波導(dǎo)上[92]，如圖5（a）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。該器件使用hBN作為頂柵介電材料，并通過(guò)兩個(gè)分立的石墨烯作為兩個(gè)頂柵電極，實(shí)現(xiàn)了器件光吸收區(qū)域p-n結(jié)的可控調(diào)控。該器件在施加反向偏壓的光探測(cè)模式下，在1 160 nm工作波段下實(shí)現(xiàn)了4.8 mA/W的響應(yīng)率，并從器件內(nèi)建電場(chǎng)和載流子漂移速度方面推斷該p-n結(jié)MoTe2硅光子集成探測(cè)器可以達(dá)到GHz的工作帶寬。為了進(jìn)一步提升MoTe2硅光子集成探測(cè)器的性能，Ma等提出了一種新型的MoTe2硅波導(dǎo)集成探測(cè)器[93]，該器件工作在O波段光譜區(qū)內(nèi)，如圖5（b）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。值得注意的是，機(jī)械剝離的MoTe2兩端分別接觸石墨烯和金電極，這種基于非對(duì)稱功函數(shù)接觸電極的器件結(jié)構(gòu)無(wú)需外部柵壓調(diào)控即可形成內(nèi)建電場(chǎng)分離光生載流子。通過(guò)對(duì)所使用MoTe2的厚度進(jìn)行優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)器件得到了23 mA/W的光響應(yīng)率，相對(duì)較低的暗電流和1 GHz帶寬的超快光響應(yīng)，其可以在大的波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供高靈敏的光探測(cè)。為了突破TMDCs材料固有的低載流子遷移率在高速探測(cè)應(yīng)用上的瓶頸，F(xiàn)l?ry等人展示了一種基于垂直MoTe2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硅光子集成光電探測(cè)器[94]，如圖5（c）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。該器件的垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將TMDC中的載流子傳輸路徑長(zhǎng)度最小化，并在3 V的偏壓下實(shí)現(xiàn)了至少24 GHz的高測(cè)量帶寬。通過(guò)使用更高的偏壓或更薄的MoTe2薄膜，該光電探測(cè)器的帶寬可以進(jìn)一步提高到50 GHz。同時(shí)，該器件對(duì)于1 300 nm入射光的響應(yīng)率達(dá)到200 mA/W。該研究結(jié)果表明TMDCs材料可通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速的硅光子集成光電探測(cè)應(yīng)用。

圖5 基于TMDCs及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硅光子集成光電探測(cè)器。(a)硅光子集成的MoTe2 p-n結(jié)光電探測(cè)器[92]；(b)基于非對(duì)稱功函數(shù)接觸電極的硅波導(dǎo)集成MoTe2探測(cè)器[93]；(c)基于MoTe2/石墨烯范德華垂直異質(zhì)結(jié)的高速高響應(yīng)硅波導(dǎo)集成光電探測(cè)器[94]；(d)基于應(yīng)變調(diào)控的硅波導(dǎo)集成MoTe2光電探測(cè)器，可用于1 550 nm光探測(cè)[95]；(e)基于范德華異質(zhì)結(jié)的氮化硅波導(dǎo)集成隧穿光電二極管，其在1 550 nm波長(zhǎng)處具有高速高響應(yīng)[96]Fig.5 Silicon photonic integrated photodetectors based on TMDCs and their heterostructures.(a)A MoTe2-based photodetector for silicon photonic integrated circuits[92];(b)silicon waveguide integrated MoTe2 photodetector based on asymmetric work function contact electrodes[93];(c)waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector with high speed and high responsivity[94];(d)strain-engineered silicon photonic integrated MoTe2 photodetector for 1 550 nm light detection[95];(e)high-speed van der Waals heterostructure tunneling photodiodes integrated on silicon nitride waveguides for 1 550 nm light detection[96]

由于低傳輸損耗和摻鉺光纖放大器的增益光譜重疊，1 550 nm是硅基光電子芯片用于光數(shù)據(jù)傳輸和處理的首選。為了解決TMDCs材料因?yàn)楸菊鲙断拗茻o(wú)法直接用于1 550 nm光探測(cè)的問(wèn)題，研究人員在材料調(diào)控、器件運(yùn)行機(jī)制等方面進(jìn)行了一系列創(chuàng)新性研究。Sorger等提出了將應(yīng)變調(diào)控應(yīng)用于硅光子集成MoTe2探測(cè)器中使之能夠?qū)? 550 nm光進(jìn)行響應(yīng)[95]，如圖5（d）所示。該器件在非平面的硅基微環(huán)諧振器上集成了一個(gè)多層MoTe2晶體薄片。硅結(jié)構(gòu)本身高度使得機(jī)械剝離的MoTe2在結(jié)構(gòu)邊緣處受到與橫向位置相關(guān)的應(yīng)變調(diào)控，因而在MoTe2內(nèi)形成了吸收1 550 nm光的漸變帶隙。由于MoTe2應(yīng)變區(qū)域與微環(huán)諧振器的倏逝場(chǎng)重疊，該器件在2 V的偏壓下對(duì)1 550 nm光具有500 mA/W的較高響應(yīng)率。并且該器件只有13 nA的低暗電流，其NEP為90 pA/Hz1/2，工作帶寬為35 MHz。這種應(yīng)變調(diào)控探測(cè)器為T(mén)MDCs材料在硅光子集成光電探測(cè)應(yīng)用提供了新的思路。另外，Shu等展示了集成在氮化硅波導(dǎo)上的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道光電二極管[96]，如圖5（e）所示。該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)由機(jī)械剝離的單層MoS2、單層石墨烯、多層hBN、單層石墨烯依次自下而上堆疊在波導(dǎo)頂部形成。MoS2作為底層石墨烯與氮化硅界面的鈍化層并對(duì)底層石墨烯進(jìn)行n型摻雜，多層hBN作為頂層和底層石墨烯之間的隧穿勢(shì)壘，hBN上的頂層石墨烯被空氣和金屬接觸p型摻雜，因而在波導(dǎo)頂部形成垂直方向的p-i-n型隧穿光電二極管。強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)將底層石墨烯中的光生電子-空穴對(duì)分離，光生空穴隧穿過(guò)hBN被頂層石墨烯收集產(chǎn)生光電流。該器件在1 550 nm波長(zhǎng)處具有240 mA/W的高響應(yīng)率、28 GHz的大帶寬和大于104的光/暗電流比。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)高帶寬和高靈敏度的集成光電探測(cè)器提供了一條可行的途徑。

5 結(jié)論與展望

二維材料由于其豐富的種類和多樣的物理特性，為實(shí)現(xiàn)混合集成于硅基光電子芯片上的高性能光電探測(cè)器提供了可能的新途徑。本文回顧了近年來(lái)基于石墨烯、BP和TMDCs及其異質(zhì)結(jié)的硅光子集成光電探測(cè)器研究進(jìn)展。不僅基于石墨烯的硅光子集成光電探測(cè)器具有寬工作波長(zhǎng)范圍和超快響應(yīng)速度，而且基于其他二維材料如BP、TMDCs和異質(zhì)結(jié)的硅光子集成光電探測(cè)器也已被實(shí)驗(yàn)證明具有高響應(yīng)率、寬波長(zhǎng)范圍探測(cè)區(qū)間和低暗電流。然而，值得注意的是，雖然基于二維材料的硅光子集成光電探測(cè)器表現(xiàn)出許多優(yōu)異性能，但其在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些潛在的挑戰(zhàn)。例如：較大的暗電流限制了石墨烯探測(cè)器的探測(cè)靈敏度與器件功耗；大的器件接觸阻抗限制了BP和TMDCs探測(cè)器的響應(yīng)速度；以及通過(guò)機(jī)械剝離制備二維材料器件存在產(chǎn)率低和可重復(fù)性低的缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。因此，還需進(jìn)一步改進(jìn)二維材料與硅光子集成工藝和提升二維材料探測(cè)器的性能。

未來(lái)基于二維材料的硅光子集成探測(cè)器的研究可集中在以下幾個(gè)方面：（1）大規(guī)模二維材料?硅光子集成器件的制備。目前大多數(shù)與硅光子結(jié)構(gòu)集成的二維材料光電探測(cè)器中的二維材料都是通過(guò)機(jī)械剝離法制備得到的。由于該方法制備的二維材料面積小且形狀不規(guī)則，極大地限制了二維材料在硅光子集成領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)，二維材料如石墨烯、MoS2、hBN的大規(guī)模生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展。為了使二維材料能用于大規(guī)模硅光子集成器件的制造，早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，研究人員應(yīng)積極探索二維材料或二維材料異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)，以制備大面積、高質(zhì)量、低成本的二維材料。（2）器件界面與接觸電阻的優(yōu)化。對(duì)于石墨烯探測(cè)器暗電流大的缺點(diǎn)，一個(gè)已被證明的解決方案是將石墨烯與其他二維材料如TMDCs垂直堆疊在一起形成范德華異質(zhì)結(jié)[94]。然而在二維材料異質(zhì)結(jié)制備過(guò)程中，界面污染與缺陷對(duì)二維材料的物理性能有著巨大影響。因此，如何獲得干凈、無(wú)缺陷的界面是異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備過(guò)程中的重要問(wèn)題。同時(shí)，由于不同金屬的功函數(shù)不同，與二維半導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)形成不同勢(shì)壘高度，影響著硅光子集成探測(cè)器的性能。前期研究表明，傳統(tǒng)金屬與二維半導(dǎo)體接觸時(shí)具有較強(qiáng)的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，可形成大的肖特基勢(shì)，而二維金屬與二維半導(dǎo)體形成的金屬半導(dǎo)體接觸被認(rèn)為能有效緩解這種效應(yīng)，降低肖特基勢(shì)壘，以減小接觸電阻。（3）新興二維材料與硅光子集成。新興二維材料如MXene、硒化銦、石墨炔和鈣鈦礦納米片具有許多出色的特性，包括合適的帶隙、高功率下良好的光電轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)異的光吸收能力和大的遷移率。這些新興的二維材料有望在硅光子集成光電探測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

目前面向硅基光電子混合集成的二維材料探測(cè)器處于實(shí)驗(yàn)室研究的初期，相比傳統(tǒng)三維材料集成器件領(lǐng)域來(lái)說(shuō)市場(chǎng)仍處在早期階段，且在硅基光電子芯片應(yīng)用的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等各領(lǐng)域中的商業(yè)化還面臨著巨大挑戰(zhàn)，因此硅基光電子集成的二維材料探測(cè)器的市場(chǎng)化還有很長(zhǎng)的路要走。盡管如此，各個(gè)領(lǐng)域?qū)哂懈咚?、高響?yīng)率、寬波長(zhǎng)范圍和低暗電流優(yōu)點(diǎn)的光電響應(yīng)器件需求的持續(xù)增長(zhǎng)，使得基于二維材料的硅光子集成探測(cè)器具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＿@需要前沿科研和產(chǎn)業(yè)研發(fā)的共同協(xié)作，通過(guò)研究大規(guī)模二維材料?硅光子集成器件的制備工藝，不斷優(yōu)化器件的性能，并對(duì)新興二維材料與硅光子集成的應(yīng)用可能進(jìn)行探索，建立科研成果和市場(chǎng)產(chǎn)品之間有效的連通橋梁，以解決基于二維材料的硅基光電子集成器件面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，最終達(dá)到大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用的目標(biāo)。