撰稿 | 郭敬書（浙江大學(xué)）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿?

硅基光電子具有CMOS兼容、高集成度等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為集成光電子主流技術(shù)。正從1.31/1.55 μm近紅外波段向2 μm及更長(zhǎng)波段推進(jìn)，以滿足下一代光通信及光傳感等重大需求。然而，以光電探測(cè)器為代表的硅基有源光電子器件在工藝及性能等方面還存在一定瓶頸。

值得注意的是，近年來(lái)迅速發(fā)展的二維材料（2DM）作為一種通過原子層間范德華力作用形成的層狀材料已形成了一個(gè)極為豐富的材料體系，在光子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力，特別是具備寬光譜和無(wú)晶格失配等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，發(fā)展硅-二維材料混合集成光電探測(cè)器件在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。

硅技術(shù)與二維材料相結(jié)合的藝術(shù)效果圖 (圖源：ICFO/F.Vialla)

鑒于此，浙江大學(xué)光電學(xué)院戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)以 

Silicon/2D-material photodetectors: from near-infrared to mid-infrared 

為題于 Light: Science & Applications 發(fā)表綜述論文。

本綜述聚焦：近紅外及中紅外波段的硅-二維材料探測(cè)器，系統(tǒng)分析了其工作機(jī)制、結(jié)構(gòu)類別及性能特點(diǎn)等，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

硅-二維材料光電探測(cè)工作機(jī)制、器件結(jié)構(gòu)及性能評(píng)價(jià)

二維材料光電探測(cè)器工作機(jī)制非常豐富，本文對(duì)此進(jìn)行了深入分析和總結(jié)，如下圖所示。根據(jù)是否涉及到載流子或晶格溫度的變化分為光子型和熱效應(yīng)型兩大類。

圖1 二維材料光電探測(cè)器工作機(jī)制

光子型包括兩種類型：

其一是探測(cè)光生載流子的光伏效應(yīng)、內(nèi)光子發(fā)射、直接隧穿、Fowler-Nordheim隧穿等機(jī)制；

其二是探測(cè)光電晶體管（phototransistor）溝道電導(dǎo)率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和光柵壓效應(yīng)（photo-gating effect）。

熱效應(yīng)型包括：

輻射熱效應(yīng)、基于塞貝克效應(yīng)的光熱電效應(yīng)等。

二維材料工藝上比較靈活，因而其器件結(jié)構(gòu)也較為多樣化。二維材料光電探測(cè)器可歸納為三大類：

（1）金屬-二維材料-金屬型；

（2）金屬-二維材料+X-金屬結(jié)構(gòu)；

（3）二維材料-異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

二維材料光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)類型

金屬-二維材料-金屬型結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)最為常見，但涉及多種工作機(jī)制。例如，近零偏置電壓時(shí)，在橫向不對(duì)稱通道、橫向p-n結(jié)及金屬-石墨烯界面中，光熱電效應(yīng)是光響應(yīng)主要機(jī)制；而更大偏壓時(shí)，光電導(dǎo)效應(yīng)、輻射熱效應(yīng)等電導(dǎo)型探測(cè)機(jī)制成為主導(dǎo)。而對(duì)于許多過渡金屬硫族化合物（TMDC）或者黑磷（BP）器件，常產(chǎn)生光柵壓效應(yīng)主導(dǎo)的光電響應(yīng)。此外，光伏效應(yīng)、輻射熱效應(yīng)、光熱電效應(yīng)在TMDC或BP器件中也比較常見。

金屬-二維材料+X-金屬結(jié)構(gòu)

該類結(jié)構(gòu)中二維材料溝道與其它材料X接觸，通常會(huì)引入各種束縛態(tài)，因而光柵壓效應(yīng)成為主導(dǎo)工作機(jī)制。其特點(diǎn)是高增益、低速度及響應(yīng)度易于飽和。

二維材料-異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)中信號(hào)電極和接地電極分別與包含2DM的各種異質(zhì)結(jié)中不同材料相接觸。該類器件往往涉及光伏效應(yīng)、內(nèi)部光發(fā)射效應(yīng)、隧穿效應(yīng)等類別。

總結(jié)與展望

從目前的發(fā)展來(lái)看，實(shí)現(xiàn)高性能硅-二維材料光電探測(cè)器仍具有較大挑戰(zhàn)，亟需進(jìn)一步突破響應(yīng)速度和探測(cè)靈敏度的制約，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求選取與之匹配的器件結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制從而進(jìn)一步強(qiáng)化某些性能指標(biāo)。

例如，對(duì)于光學(xué)成像或光譜分析，其響應(yīng)速度要求通常為kHz-MHz級(jí)，故可重點(diǎn)考慮光柵壓效應(yīng)器件，利用其極大增益實(shí)現(xiàn)高靈敏度弱光探測(cè)，但亟需關(guān)注如何提升其線性度及動(dòng)態(tài)范圍。而對(duì)于高速光互聯(lián)等應(yīng)用，亟需發(fā)展>100GHz超大帶寬光電探測(cè)器，或可選取金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)，但需關(guān)注如何提高其信噪比。此外，盡管二維材料異質(zhì)結(jié)器件被認(rèn)為有望實(shí)現(xiàn)響應(yīng)度、帶寬及靈敏度等綜合高性能突破，但仍需在高可靠制備技術(shù)工藝等方面取得突破。

總的來(lái)講，硅-二維材料光電探測(cè)器研究可分為材料級(jí)、器件級(jí)、鏈路級(jí)及商用級(jí)等幾個(gè)層級(jí)，其發(fā)展還面臨系列挑戰(zhàn)：

（1）大規(guī)模、高質(zhì)量、CMOS兼容的二維材料生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移工藝。

（2）全面突破響應(yīng)度、速度、靈敏度、線性度以及穩(wěn)定性等綜合性能。

（3）二維材料器件制備均一性、可靠性、規(guī)?；?。

硅-二維材料光電探測(cè)器展望

文章信息：

Liu, C., Guo, J., Yu, L. et al. Silicon/2D-material photodetectors: from near-infrared to mid-infrared. Light Sci Appl 10, 123 (2021).

本文第一作者為浙江大學(xué)光電學(xué)院博士生劉超越和郭敬書博士，通訊作者為戴道鋅教授。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00551-4

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編輯 | 趙陽(yáng)

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