面向硅基光電子混合集成的二維材料探測器

胡思奇，田睿娟，甘雪濤

（西北工業(yè)大學物理科學與技術學院 超常條件材料物理與化學教育部重點實驗室 陜西省光信息技術重點實驗室和光場調控與信息感知工業(yè)和信息化部重點實驗室，陜西西安710129）

1 引 言

近年來，隨著大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術的發(fā)展，信息的產生、處理、存儲等過程的數據量都面臨“爆炸式”增長，僅在過去兩年中產生的數字信息量就占到了現有數據總量的九成[1]。與此同時，為支持數據存儲和高性能計算能力繼續(xù)按照摩爾定律增長[2]，需要極大地提升芯片間通信的帶寬密度（到2020年每個互連的帶寬密度需求已超過40 Gb/s[1]）。傳統集成電路電互連技術由于帶寬有限、電串擾和輸入/輸出引腳密度低等缺點，無法滿足“信息爆炸”下高速高密度的數據處理需求[3]。光互連具有超大帶寬、低功耗和低串擾等優(yōu)勢，有望替代傳統電互連，實現高速信息交換[4]。

硅基光子技術的發(fā)展使得硅基光電子芯片成為將光互連應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之一[5]。硅的物理特性使得硅基光子技術具有許多顯著優(yōu)點：（1）作為光傳輸波導的硅和包層之間具有高折射率差，可實現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）硅波導具有可調控的色散和非線性[8]；（4）硅材料具有高損傷閾值、大熱導率以及成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）加工工藝[9]；（5）硅波導對傳輸光的強束縛作用有利于光模式的靈活設計，可用于實現諸如微環(huán)腔、偏振轉換、波分復用器等無源器件[10]。然而，完整的光互連芯片需要具有產生、調制和探測光的有源器件。盡管硅基光子技術在光互連方面具有很大優(yōu)勢，但硅的物理特性使其在實現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)光一直是個難題；硅不存在線性電光效應，無法類似鈮酸鋰實現高線性度、超高速的光調制，而基于硅載流子色散效應的調制器插損大、速度受限、制備繁瑣；硅不吸收波長大于1.1μm的光波，無法進行通信波段光探測。

對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器，過去十多年內，研究人員將鍺、Ⅲ-Ⅴ族半導體等塊體材料集成于硅光子結構上實現光電轉換。然而由于這些傳統塊體半導體材料的晶格常數和熱膨脹系數與硅不匹配，使其直接生長于硅襯底上存在很大技術挑戰(zhàn)性[12]，此外，晶體生長過程中引起的缺陷也會限制器件的光電性能[13]。另外，若將硅基光電芯片上光信號處理波段拓展到2μm及以上，上述塊體材料的光電響應能力受限。

二維材料的出現為實現高性能光電探測器提供了新的可能。相比于鍺等傳統塊體半導體，二維材料在面向硅基光電子芯片光電探測器的混合集成具有以下優(yōu)點：（1）二維材料具有原子級平滑的無懸空鍵表面，無需考慮二維材料與硅襯底的晶格匹配問題[14]；（2）由于原子級厚度、機械強度高、柔韌性好等優(yōu)點，二維材料適用于成熟的CMOS加工工藝，可以與硅光子結構實現大規(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，可實現寬光譜光電響應，且響應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量相對較低，可將探測器的暗電流抑制到較低水平，有利于室溫下的高靈敏探測[17]；（5）二維材料與其他材料（共軛高分子[18]、量子點[19]等）相比具有較高的載流子遷移率[20]，有望實現高速的光電響應。因此，近年來將二維材料混合集成于硅光子結構實現高性能光電探測得到了廣泛研究。

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器展開討論。首先，詳細介紹常用于構建光電探測器的二維材料及其光電探測響應機制；其次，對近幾年研究人員如何基于二維材料實現高性能硅光子集成光電探測器進行綜述，總結器件結構和主要性能參數，并分析器件高性能機理；最后，對提升硅光子集成二維材料光電探測器性能所面臨的挑戰(zhàn)進行討論，并展望了未來如何獲得綜合性能良好的集成二維材料探測器及其商業(yè)化應用可能。

2 二維材料的基本特性

二維材料囊括了金屬性、半導體性和絕緣體性在內的諸多材料屬性，其豐富的物理特性是實現高性能硅光子集成光電探測器的基礎。本節(jié)簡要介紹幾種常用于構建光電探測器的二維材料，包括石墨烯、黑磷、過渡金屬硫化物、六方氮化硼及其異質結。

2.1 石墨烯

2004年，Novoselov等首先利用機械剝離法分離出高質量單層石墨烯（Graphene）[21]。與傳統半導體材料相比，石墨烯表現出許多卓越的光電性能，如可調控的電子結構、強的光與物質相互作用、高的三階光學非線性和優(yōu)異的機械柔韌性。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構。

由于其能帶結構中導帶和價帶存在交匯點或Dirac點，單層石墨烯為零帶隙的半金屬[22]，具有從可見光到太赫茲的超寬譜響應范圍[23]。由于其完美無缺陷的晶格結構，單層石墨烯在室溫下有著高達2×105cm2/V·s的超高載流子遷移率[24]和5 300 W/m·K的超高導熱率[25]，使得其具有飛秒級的超短弛豫時間[26]。因此，單層石墨烯是實現超快光電探測的理想材料。另外，盡管石墨烯的帶隙為零，但由于其體表比較大，通過靜電柵壓調控可使其費米能級在1 eV上下移動[27]，可實現p型（空穴占主導）與n型（電子占主導）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光下的光吸收率僅有2.3%[28]。另一個吸引人的特性是它可在極端化學環(huán)境下保持穩(wěn)定，并在機械應力下具有極佳的延展性[29]，使得其易與硅光子結構集成且器件加工與CMOS工藝兼容。

2.2 黑磷

隨著學術界對二維材料的深入探索，Zhang等于2014年報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構，其磷原子排列在褶皺的晶格中。因此，BP的電導率和光導率具有很強的面內各向異性[31]。在單層BP中，每個磷原子由sp3雜化軌道與其他3個相鄰磷原子鍵合[32]。由于在垂直方向上存在對BP薄膜的電子約束，BP的帶隙大小隨著層數的減少而呈線性增加——從0.3 eV帶隙的塊體過渡到2 eV帶隙的單層[33]，使其具有從可見光至中波紅外波段的光吸收[34]。另外，BP的帶隙可進一步通過化學摻雜[35]或電場調控[36]來調整。BP還有以下優(yōu)勢：在室溫下達到1 350 cm2/V·s的高載流子遷移率[37]以及皮秒級的弛豫時間[38]。具有這些優(yōu)異特性的BP為開發(fā)通信波長至中紅外波長范圍的高性能光電器件提供了新的機會[39]。此外，BP固有的各向異性晶體結構導致其對入射光的吸收具有偏振依賴性[31]，可實現偏振敏感的光探測應用。值得指出的是，在外界環(huán)境中少層BP的穩(wěn)定性較差，這是限制其廣泛應用的主要因素。近年來，研究人員發(fā)現在BP器件制備和測試過程中，通過封裝保護可在兩周內保持BP薄層的穩(wěn)定性[40]。目前成熟的半導體器件封裝工藝可有效避免對BP有破壞作用的氧、水、光等因素，可保證BP器件未來走向應用。

2.3 過渡金屬硫化物

過渡金屬硫化物（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構，通常具有MX2的化學式，其中M表示過渡族金屬（鉬、鎢等），X表示硫族元素（硫、硒、碲等）[41]。TMDCs材料根據單層原子結構及堆垛方式不同，可以有2H、1T'等相，使其可以表現出半導體或半金屬特性。與石墨烯的層間結構相似，TMDCs材料層與層之間以弱范德華力的形式堆疊，因此也可以使用機械剝離法來獲得單層TMDCs材料。然而與石墨烯對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[42]，在近紅外到紫外波段光吸收率可以達到10%[43]，這使得TMDCs材料可用于高靈敏的光電探測器。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[48]。對于1T'相TMDCs，其半金屬特性更是可以支持寬帶的光電探測，且具有類似石墨烯的超快光電響應[49-50]。另外，TMDCs的帶隙也可通過多種手段進行調控并進一步拓展其光電響應波段，如材料厚度、元素摻雜、靜電摻雜、異質結構建等。

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構，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直接作為光電探測器存在響應波段的限制，但是其具有高導熱性、化學穩(wěn)定性和無需擔心晶格失配的優(yōu)點，可在靜電調控其他二維材料時作為絕緣體[53]并提供原子級平滑的潔凈界面，對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器示意圖(a) 石墨烯[21]；(b)黑磷[30]；(c)過渡金屬硫化物[41]；(d)六方氮化硼的晶格結構[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 二維材料異質結

由于表面無懸掛鍵的二維材料無需考慮晶格失配問題[54]，故可直接將不同二維材料垂直堆疊在一起，通過范德華力結合構建二維材料異質結[55]。特別是這些異質結構可以通過晶格排列、帶隙工程以及不同層之間的耦合效應來進一步設計[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，已經出現了大量二維材料異質結構，包括TMDCs/石墨烯、TMDCs/TMDCs、TMDCs/BP、BP/石墨烯，為光電探測器性能提升提供了新途徑[57]。

2.6 其他二維材料

得益于納米技術的飛速發(fā)展，其他具有獨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。下面依次對這幾種二維材料進行簡要介紹。MXene材料代表二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，通式為Mn+1XnTx，其中M表示過渡金屬（鈧Sc，鈦Ti，等），X表示碳化物或氮化物，T對應于表面成分（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控性，包括低光損耗、可控的帶隙和大導電率。例如，Ti3C2Tx量子點在460 nm的光致熒光峰處具有約為10%的量子產率，數十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不僅具有極強的量子局域效應和室溫下高于1 000 cm2/V·s的電子遷移率[60]，而且還表現出較大的光響應性（>1 A/W）和較快的響應時間（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，根據晶格結構的不同，單層石墨炔有0.44~1.47 eV的窄帶隙和相對短的光致熒光壽命（≈ 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特光學和電子特性也可為硅基光子集成光電探測器提供優(yōu)異材料體系。

3 二維材料光電探測器的光電轉換機制

目前已報道的二維材料光電探測器具有多種光電轉換機制，包括光電導效應、光柵效應、光伏效應、光熱電效應和光輻射熱效應等。這些豐富的光電轉換機制極大地拓展了二維材料在光電探測器領域的應用范圍。根據光電轉換機制，二維材料光電探測器也可進一步分為兩類：光子探測器（包括光電晶體管和光電二極管）和熱探測器。以下詳細介紹這些光電轉換機制。

3.1 光電導效應(Photoconductive Effect，PCE)

光電導效應為材料吸收光子產生額外的自由載流子由此導致材料本身電導率增加的過程。如圖2（a）所示，典型的二維材料光電導型探測器由作為導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/漏電極之間施加驅動偏壓（Vds），無光照時，器件中僅有很小的溝道電流流動（暗電流Id）。在光照下，能量大于半導體帶隙的光子被二維材料吸收，導致材料中產生光生電子-空穴對。然后，光生電子-空穴對被Vds分開，分離的自由電子和空穴分別向著源極和漏極漂移。該過程導致溝道電流的凈增加，即產生光電流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復合會導致光電流減小。通常大的驅動偏壓Vds有助于光生電子-空穴對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光電導型探測器的增益（G）和響應速度有重要影響。光電導型探測器的增益可能大于1。在適當驅動偏壓Vds下，多數載流子（假定為電子）具有比少數載流子（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）與電子渡越時間（τtransit）的比率，即G=τlifetime/τtransit。為了獲得高增益，應該縮短電子傳輸時間和盡量延長空穴的壽命。然而，與載流子復合過程有關的響應時間也由空穴壽命決定，這意味著高增益會降低探測器的響應速度。因此，必須在增益和響應速度之間進行權衡，以獲得整體性能理想的二維材料光電導型探測器。

3.2 光柵效應(Photogating Effect，PGE)

光柵效應可以視為光電導效應的特例。如圖2（b）所示，在光照下，二維材料中會生成電子-空穴對，然后載流子（電子或空穴）中會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-空穴對在二維材料表面的吸附物或電荷陷阱中產生[67]，其中一種類型的載流子被轉移到溝道中，另一種帶相反電荷的載流子被吸附而截留在材料表面。由于靜電感應的存在，這些被俘獲的載流子可有效地調節(jié)材料中的感生電荷而起到局部柵極調控的作用。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)，從而產生高增益。光柵效應在具有大表面積/體積比的二維材料中尤其明顯[68]。盡管具有光柵效應的光電探測器可以比光電導型具有更高的增益，但它們通常會遇到器件響應速度較慢的問題（ms甚至s量級）。因此對于硅基集成二維光電探測器，應盡可能避免PGE效應，即減少器件中的缺陷和電荷陷阱等局域態(tài)的產生。

3.3 光伏效應(Photovoltaic Effect，PVE)

光伏效應是通過器件本身的內建電場分離光生電子-空穴對，并將電子和空穴朝相反方向驅動并形成光電流效應[69]，如圖2（c）所示。內建電場通常在兩種存在顯著功函數差異的材料結處（半導體耗盡區(qū)）產生。利用光伏效應響應的光電探測器稱為光電二極管。光電二極管可以是由兩種具有相反摻雜類型半導體形成的p-n結光電二極管，也可以是在半導體和金屬接觸界面處形成的肖特基結光電二極管。p-i-n結光電二極管是p-n結光電二極管的一個特例，其中“i”代表插入p-n結之間的本征半導體層。光電二極管在黑暗中通常顯示不對稱的電流-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）和光導模式（反向偏置）。在光伏模式下，光生電子-空穴對被內建電場分開，分離的電子和空穴被電極收集而產生光電流（短路電流，ISC），輸出電信號也可以是光電壓（開路電壓，VOC），其可在保持電路開路下獲得。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，從而提高了探測能力。在光導模式下，施加偏置電壓的外部電場與內建電場的方向相同，從而提高了電子-空穴對的分離效率，并由于減少了載流子傳輸時間和降低了二極管電容而提高了響應速度。在實際應用中，光伏模式下的光電二極管非常適合高靈敏應用，而光電導模式下的光電二極管更適合于高速應用。雖然光電二極管實現的最大單位增益遠小于通過光電導效應或光柵效應工作的光電探測器，但是足夠大的反向偏置可導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引發(fā)碰撞電離，從而提供較大的內部電流增益。

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

光熱電效應也稱為Seebeck效應，如圖2（d）所示。光照下，被材料吸收的光子能量轉換成熱能。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，從而導致材料不同區(qū)域之間存在溫度差（ΔT）。載流子會在溫度梯度作用下定向移動從而產生電壓差，即光熱電壓（VPTE）。光熱電壓VPTE可表示為[70]

圖2 光電轉換機制。(a)光電導效應；(b)光柵效應；(c)光伏效應；(d)光熱電效應；(e)輻射熱效應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。光熱電壓可以使器件在零偏壓的情況下在溝道中產生電流。石墨烯、BP等二維材料上均實現了基于光熱電效應的探測器，且均表現出超高速響應和高內部量子效率[70-71]。

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

光輻射熱效應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。光輻射熱效應可以發(fā)生在亞毫米波甚至毫米波作用下，因此光輻射熱探測器可滿足中紅外及遠紅外波段的光探測。已有研究報道了石墨烯光電探測器[73]和厚度約為100 nm的多層BP光電探測器[74]中的光輻射熱效應，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器研究進展

二維材料豐富且優(yōu)異的物理特性使其在光電探測領域具有獨特優(yōu)勢，其原子級厚度及無懸掛鍵的表面，有利于與硅光子結構集成。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器。

4.1 基于石墨烯的硅光子集成光電探測器

石墨烯的零帶隙使其在深紫外至太赫茲波段內具有光吸收能力[11]。這種波段極寬的光學響應范圍是任何其他已知材料都無法比擬的。尤其是對于用于光通信的硅基光電子芯片，在與石墨烯集成后，可實現在寬波長范圍內的波分復用和探測。另外，石墨烯具有的超高載流子遷移率，可實現硅基光電子芯片上的超高速光探測。Xia等展示了第一個垂直光入射的石墨烯光電探測器。該器件在1 550 nm通信波長下具有高達40 GHz的工作帶寬，其本征工作帶寬更是有望超過500 GHz[75]，這充分說明了石墨烯在超高速光探測領域應用的優(yōu)勢。由于石墨烯在垂直入射光下的光吸收率僅約為2.3%，該石墨烯探測器僅有0.5 mA/W的光響應率，而硅光子技術可以彌補石墨烯探測器響應率低的缺點。通過將石墨烯與硅光子波導相集成，通過波導倏逝場與石墨烯的相互作用，可以極大增加石墨烯與光場的相互作用距離，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波導位置非對稱的石墨烯波導集成光電探測器[76]，如圖3（a）（彩圖見期刊電子版）所示，其響應率有著顯著提高。該器件通過濕法轉移技術將機械剝離的雙層石墨烯精確轉移至硅波導結構上[51]。一方面，通過將石墨烯與硅波導表面的倏逝場耦合，該器件在53μm的耦合長度中實現了超過60%的光吸收率。另一方面，通過將電極不對稱地放置在波導的兩側，利用石墨烯和金屬之間功函數的差異形成橫向金屬摻雜結，使得器件在零偏壓下能夠分離光生電子-空穴對產生光電流。實現了無需外加偏置的高性能石墨烯探測器，其在1 450~1 590 nm波長范圍內保持平坦的高響應率（0.1 A/W），20 GHz高頻測量僅出現1 dB信號衰減且在12 GHz數據通信鏈路上呈現清晰眼圖。與此同時，Wang等和Pospischil等也分別報道了硅波導集成的石墨烯探測器，闡述了其寬光譜、高響應率、CMOS工藝兼容等特性[77-78]。這些研究結果充分展示了石墨烯在硅光子集成光電探測領域的應用潛力[79-84]。

圖3 基于石墨烯的硅光子集成光電探測器。(a)金屬電極非對稱的硅波導集成石墨烯光電探測器[76]；(b)硅波導集成的高響應率hBN/石墨烯/hBN結構光電探測器[79]；(c)硅納米槽波導集成的石墨烯p-n結探測器[80]；(d)覆蓋所有光通信波段且CMOS兼容的波導集成石墨烯光電探測器[78]；(e)蝴蝶結狀等離子金屬納米結構增強的波導集成石墨烯光電探測器[83]；(f)用于1.55和2μm光探測的金屬等離子體增強石墨烯硅波導集成光電探測器[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紅外探測器1.2 A/W的光響應率，上述石墨烯探測器的響應率還比較低。為了進一步提升硅光子集成石墨烯探測器的響應率，研究人員又進行了系列研究，具體可分為兩個思路。一種是提高光電轉換效率，例如增加外加電壓或調控石墨烯光吸收區(qū)的摻雜。然而，增加外加電壓會導致器件的功耗和暗電流相應增加，因此該思路并不是一個好的選擇。另一種是通過延長吸收區(qū)的長度或增強石墨烯與波導模式的相互作用來增強石墨烯的光吸收。但是，當吸收區(qū)長度延長，器件的面積和電容也會相應增加，這會降低器件的響應速度，不利于其在高速通信的應用。因此，近年來人們越來越關注通過調節(jié)石墨烯光響應區(qū)的摻雜和增強石墨烯與光的相互作用來提高硅光子集成石墨烯探測器的響應率。

對于改變石墨烯光響應區(qū)的摻雜水平，可以通過柵極電壓靜電摻雜對石墨烯中載流子濃度進行調控。Shiue等人提出了一種hBN/石墨烯/hBN異質結構與硅波導集成的高響應率光電探測器[79]，如圖3（b）所示。該器件將多層hBN、單層石墨烯和多層hBN依次轉移堆疊至硅波導上，通過引入額外的柵極電壓調節(jié)石墨烯光響應區(qū)的費米能級。該器件的光電流主要由PTE效應產生，其光響應率與Seebeck系數和溫度梯度緊密相關。由于Seebeck系數極大依賴于載流子密度和石墨烯的化學勢，因此可通過選擇適當的漏源電壓和柵極電壓來優(yōu)化Seebeck系數以提高器件的響應率。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偏壓下工作時具有0.36 A/W的較大響應率和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結構的石墨烯集成探測器[80]。該器件可通過兩個分離的雙柵結構對石墨烯進行靜電摻雜，實現器件在光吸收區(qū)域p-n結的構建，如圖3（c）所示。該器件通過將機械剝離法制備的單層石墨烯轉移至硅納米槽波導結構上，在這種器件結構中，波導的模態(tài)場在納米槽中被極大地束縛和增強，并且石墨烯的摻雜可通過使用雙柵極電壓來控制，以形成理想的Seebeck系數空間分布。在這種情況下，器件零偏壓下可觀察到一個很強的PTE效應，其響應率為36 mA/W，并且在0.3 V偏壓下得到76 mA/W的響應率和高達65 GHz的3 dB帶寬。在此基礎上，為進一步提升器件的響應率，Schuler等通過使用光子晶體波導雙柵結構控制整個石墨烯器件通道中的Seebeck系數[81]。該器件將由PTE效應產生的響應率進一步提高到48 mA/W，并且器件在0.4 V偏壓下具有170 mA/W的響應率和18 GHz的3 dB帶寬。

對于增強石墨烯與光的相互作用，通過具有非常強局部化場的金屬等離子體結構增強石墨烯的光吸收是一種比較好的方法。Pospischil等報道了一種金屬等離子體增強的石墨烯-硅波導集成光電探測器[78]，其在波導的中心放置了一個金屬電極天線，如圖3（d）所示。器件通過簡單的三步工藝制造：硅波導的蝕刻和鈍化，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構增強了石墨烯的光吸收，并且光生載流子可以被金屬-石墨烯界面的內建電場有效地分離。測試結果表明，基于該結構的單層石墨烯器件響應率約為30 mA/W，而雙層石墨烯的響應率可提高到50 mA/W。該結構器件具有18 GHz的3 dB帶寬并且能夠實現全光通信頻段的超寬帶響應，遠遠超出了已報道的應變鍺光電探測器的響應波長范圍[82]。Ma等展示了另一種金屬等離子體增強的石墨烯-硅波導集成光電探測器[83]，其在6μm長的石墨烯吸收區(qū)上設計了蝴蝶結狀對稱型金屬等離子體結構，如圖3（e）所示。將化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）生長的石墨烯層轉移至平面化硅波導結構的硅光子晶片上并圖案化，具有nm級間隙的蝶形金屬結構被放置在石墨烯的頂部，并與下方的Si波導對稱排列。該探測器在PBE效應下工作，輸出光電流相對于偏壓方向為負值，在0.4 V偏壓下具有500 mA/W的響應率，并且該探測器具有超過110 GHz的3 dB帶寬，可以接收100 Gbit/s的二進制啟閉鍵控（OOK）和四脈沖幅度調制（PAM4）數據信號。盡管光與石墨烯的相互作用通過金屬等離子體結構大大增強，但在這些結構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率。為減少金屬等離子體對波導傳輸光信號的吸收損耗，Dai等展示了一種低損耗的等離子體增強石墨烯-硅波導集成光電探測器[84]。該器件結構在硅波導脊的頂部放置一條約200 nm的窄金屬條以實現金屬等離子體場增強，如圖3（f）所示。CVD生長的單層石墨烯被轉移到硅波導基片上，并通過EBL和ICP蝕刻工藝進行圖案化。由于硅波導脊非常寬和超薄，使得增強石墨烯吸收的同時，降低金屬的吸收損耗，并且通過施加柵極電壓優(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達到了0.23 dB/μm。通過這種優(yōu)化的結構設計，該硅光子集成石墨烯探測器在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的響應率。以上諸多研究結果表明，石墨烯與硅光子集成可實現超高速、較高響應率的光電探測應用。然而由于石墨烯本身的零帶隙特性，光電探測器通常由于暗電流過高而不具有大的信噪比，不適用于對微弱光信號的探測。Wang等首先提出了一種基于石墨烯/硅異質結的硅波導集成光電探測器[77]，其中面內耦合的波導結構增強了機械剝離制備的單層石墨烯與光的相互作用，而石墨烯/硅異質結可以有效抑制器件的暗電流并增大對中波紅外的吸光率。該器件在通過施加1.5 V的偏壓，室溫下在2.75μm中紅外波長處獲得了130 mA/W的較高響應率和104量級的光/暗電流比。但是由于異質結本身電容與阻抗對器件響應速度的影響，該器件的工作帶寬只有2 MHz。因此還需要對其他二維材料在硅光子集成光電探測領域的應用可能進行探索。

4.2 基于黑磷的硅光子集成光電探測器

與石墨烯不同，黑磷（BP）的直接帶隙隨層數在0.3~2 eV之間變化，覆蓋了可見至中紅外光譜范圍。Buscema等展示了第一個基于BP的寬波長范圍響應光電探測器，其主要結構由基于3~8 nm的薄層BP的場效應晶體管組成[85]。由于入射光垂直入射，該BP器件僅有4.8 mA/W的響應率，器件光響應上升（下降）時間約為1 ms（4 ms）。Li課題組報道了第一個基于機械剝離多層BP的硅波導集成光電探測器[86]，如圖4(a)(彩圖見期刊電子版)所示。該器件通過在多層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量光響應，并觀察到不同摻雜水平下兩種不同器件的光電流產生機制。在較高摻雜水平下，較慢的光輻射熱效應主導器件光電流產生，由于熱擴散速度的限制，器件的3 dB帶寬僅為200 kHz。在低摻雜水平下光電流主導機制為光伏效應，器件的3 dB帶寬超過3 GHz。同時，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出對通信波段光出色的光響應，對于11.5 nm和100 nm的BP，器件的光響應率分別為135 mA/W和657 mA/W。為進一步提高BP探測器的響應率，該課題組還提出了一種硅光子與等離子體金屬光柵結構混合集成的BP光電探測器[87]，如圖4(b)(彩圖見期刊電子版)所示。該器件由構建在標準絕緣體硅（SOI）平臺的3層結構組成：底層為具有低傳輸損耗的硅光子波導層；中間層是包含金屬光柵和納米間隙的等離子結構層；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。在等離子結構下方的波導上也刻有光柵，其可通過間隔層將光發(fā)射出平面，將波導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BP薄片的光吸收。由于高光電導增益，該器件在1 550 nm通信波段具有高達1×104mA/W的響應率，同時該結果也說明了利用等離子體結構增強硅光子集成BP探測器性能的可行性和應用前景。

得益于硅光子波導本身支持通信波段后的波長光傳輸以及BP對直至中紅外波段的光響應，基于BP的硅光子集成探測器可極大地拓寬硅光子器件的波長應用范圍。Dai等展示了一種工作在2 μm波長的硅光子集成BP探測器[88]，如圖4(c)(彩圖見期刊電子版)所示。該器件使用SOI上脊型波導結構且選擇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脊型波導的頂面和側壁，從而增強了對脊型波導中橫電模基模（TE0）的光吸收。在0.4 V的低偏置電壓下，該器件的響應率高達306.7 mA/W，3 dB帶寬高達1.33 GHz。超過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的波導集成BP探測器，其工作波段為3.68~4.03μm[89]，如圖4(d)(彩圖見期刊電子版)所示。與其他BP與硅光子波導集成的探測器結構不同，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，通過波導傳輸，并通過輸出光柵耦合器耦合到BP光電探測器中。硅波導和光柵耦合器確保了縱向光傳播和面外耦合，從而增強了光與BP之間的相互作用。當BP的晶格取向、兩電極間的載流子傳輸方向和波導中傳播模式的偏振同時對準時，器件可獲得最佳的響應率。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器。(a)具有高響應率和低暗電流的BP光電探測器[86]；(b)硅波導與等離子體金屬光柵結構三維集成的BP光電探測器[87]；(c)工作在2μm波長的高速高響應率硅波導集成BP光電探測器[88]；(d)可用于中紅外光探測的硅波導集成BP探測器[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及其異質結結構的硅光子集成光電探測器

TMDCs材料具有強的光與物質相互作用，可極大地提高光電探測器件的性能。然而，由于TMDCs的直接帶隙（單層）主要位于可見光范圍（1.65~2.2 eV），大多數報道的TMDCs光電器件都集中在這部分光譜范圍內[90]。MoTe2是一種帶隙可延伸到近紅外光譜的TMDCs材料，其可響應通信O波段（1 260~1 360 nm）內的光子[91]，是首先應用于硅光子集成光電探測器的TMDCs材料。Bie等將機械剝離的雙層MoTe2集成到光子晶體波導上[92]，如圖5（a）（彩圖見期刊電子版）所示。該器件使用hBN作為頂柵介電材料，并通過兩個分立的石墨烯作為兩個頂柵電極，實現了器件光吸收區(qū)域p-n結的可控調控。該器件在施加反向偏壓的光探測模式下，在1 160 nm工作波段下實現了4.8 mA/W的響應率，并從器件內建電場和載流子漂移速度方面推斷該p-n結MoTe2硅光子集成探測器可以達到GHz的工作帶寬。為了進一步提升MoTe2硅光子集成探測器的性能，Ma等提出了一種新型的MoTe2硅波導集成探測器[93]，該器件工作在O波段光譜區(qū)內，如圖5（b）（彩圖見期刊電子版）所示。值得注意的是，機械剝離的MoTe2兩端分別接觸石墨烯和金電極，這種基于非對稱功函數接觸電極的器件結構無需外部柵壓調控即可形成內建電場分離光生載流子。通過對所使用MoTe2的厚度進行優(yōu)化，該結構器件得到了23 mA/W的光響應率，相對較低的暗電流和1 GHz帶寬的超快光響應，其可以在大的波長動態(tài)范圍內提供高靈敏的光探測。為了突破TMDCs材料固有的低載流子遷移率在高速探測應用上的瓶頸，Fl?ry等人展示了一種基于垂直MoTe2/石墨烯異質結構的硅光子集成光電探測器[94]，如圖5（c）（彩圖見期刊電子版）所示。該器件的垂直結構設計將TMDC中的載流子傳輸路徑長度最小化，并在3 V的偏壓下實現了至少24 GHz的高測量帶寬。通過使用更高的偏壓或更薄的MoTe2薄膜，該光電探測器的帶寬可以進一步提高到50 GHz。同時，該器件對于1 300 nm入射光的響應率達到200 mA/W。該研究結果表明TMDCs材料可通過優(yōu)化器件結構實現高速的硅光子集成光電探測應用。

圖5 基于TMDCs及其異質結構的硅光子集成光電探測器。(a)硅光子集成的MoTe2 p-n結光電探測器[92]；(b)基于非對稱功函數接觸電極的硅波導集成MoTe2探測器[93]；(c)基于MoTe2/石墨烯范德華垂直異質結的高速高響應硅波導集成光電探測器[94]；(d)基于應變調控的硅波導集成MoTe2光電探測器，可用于1 550 nm光探測[95]；(e)基于范德華異質結的氮化硅波導集成隧穿光電二極管，其在1 550 nm波長處具有高速高響應[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據傳輸和處理的首選。為了解決TMDCs材料因為本征帶隙限制無法直接用于1 550 nm光探測的問題，研究人員在材料調控、器件運行機制等方面進行了一系列創(chuàng)新性研究。Sorger等提出了將應變調控應用于硅光子集成MoTe2探測器中使之能夠對1 550 nm光進行響應[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多層MoTe2晶體薄片。硅結構本身高度使得機械剝離的MoTe2在結構邊緣處受到與橫向位置相關的應變調控，因而在MoTe2內形成了吸收1 550 nm光的漸變帶隙。由于MoTe2應變區(qū)域與微環(huán)諧振器的倏逝場重疊，該器件在2 V的偏壓下對1 550 nm光具有500 mA/W的較高響應率。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。這種應變調控探測器為TMDCs材料在硅光子集成光電探測應用提供了新的思路。另外，Shu等展示了集成在氮化硅波導上的范德華異質結構隧道光電二極管[96]，如圖5（e）所示。該異質結結構由機械剝離的單層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頂部形成。MoS2作為底層石墨烯與氮化硅界面的鈍化層并對底層石墨烯進行n型摻雜，多層hBN作為頂層和底層石墨烯之間的隧穿勢壘，hBN上的頂層石墨烯被空氣和金屬接觸p型摻雜，因而在波導頂部形成垂直方向的p-i-n型隧穿光電二極管。強的內建電場將底層石墨烯中的光生電子-空穴對分離，光生空穴隧穿過hBN被頂層石墨烯收集產生光電流。該器件在1 550 nm波長處具有240 mA/W的高響應率、28 GHz的大帶寬和大于104的光/暗電流比。這項工作為實現高帶寬和高靈敏度的集成光電探測器提供了一條可行的途徑。

5 結論與展望

二維材料由于其豐富的種類和多樣的物理特性，為實現混合集成于硅基光電子芯片上的高性能光電探測器提供了可能的新途徑。本文回顧了近年來基于石墨烯、BP和TMDCs及其異質結的硅光子集成光電探測器研究進展。不僅基于石墨烯的硅光子集成光電探測器具有寬工作波長范圍和超快響應速度，而且基于其他二維材料如BP、TMDCs和異質結的硅光子集成光電探測器也已被實驗證明具有高響應率、寬波長范圍探測區(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器表現出許多優(yōu)異性能，但其在實際應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器的探測靈敏度與器件功耗；大的器件接觸阻抗限制了BP和TMDCs探測器的響應速度；以及通過機械剝離制備二維材料器件存在產率低和可重復性低的缺點，無法實現商業(yè)應用。因此，還需進一步改進二維材料與硅光子集成工藝和提升二維材料探測器的性能。

未來基于二維材料的硅光子集成探測器的研究可集中在以下幾個方面：（1）大規(guī)模二維材料?硅光子集成器件的制備。目前大多數與硅光子結構集成的二維材料光電探測器中的二維材料都是通過機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域的大規(guī)模應用。近年來，二維材料如石墨烯、MoS2、hBN的大規(guī)模生長和轉移技術已有了長足的發(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，早日實現商業(yè)應用，研究人員應積極探索二維材料或二維材料異質結的生長，以制備大面積、高質量、低成本的二維材料。（2）器件界面與接觸電阻的優(yōu)化。對于石墨烯探測器暗電流大的缺點，一個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結[94]。然而在二維材料異質結制備過程中，界面污染與缺陷對二維材料的物理性能有著巨大影響。因此，如何獲得干凈、無缺陷的界面是異質結構制備過程中的重要問題。同時，由于不同金屬的功函數不同，與二維半導體接觸時會形成不同勢壘高度，影響著硅光子集成探測器的性能。前期研究表明，傳統金屬與二維半導體接觸時具有較強的費米能級釘扎效應，可形成大的肖特基勢，而二維金屬與二維半導體形成的金屬半導體接觸被認為能有效緩解這種效應，降低肖特基勢壘，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領域得到應用。

目前面向硅基光電子混合集成的二維材料探測器處于實驗室研究的初期，相比傳統三維材料集成器件領域來說市場仍處在早期階段，且在硅基光電子芯片應用的大數據、云計算、物聯網等各領域中的商業(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器的市場化還有很長的路要走。盡管如此，各個領域對具有高速、高響應率、寬波長范圍和低暗電流優(yōu)點的光電響應器件需求的持續(xù)增長，使得基于二維材料的硅光子集成探測器具有很大的發(fā)展?jié)摿?。這需要前沿科研和產業(yè)研發(fā)的共同協作，通過研究大規(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，并對新興二維材料與硅光子集成的應用可能進行探索，建立科研成果和市場產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鍵問題，最終達到大規(guī)模市場應用的目標。