硅-二維材料光電探測器：從近紅外到中紅外

2021-08-22 08:45

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | 郭敬書（浙江大學）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿?

硅基光電子具有CMOS兼容、高集成度等突出優點，已成為集成光電子主流技術。正從1.31/1.55 μm近紅外波段向2 μm及更長波段推進，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，近年來迅速發展的二維材料（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極為豐富的材料體系，在光子學和光電子學領域具有重要應用潛力，特別是具備寬光譜和無晶格失配等突出優點。因此，發展硅-二維材料混合集成光電探測器件在全球范圍內受到廣泛關注。

硅技術與二維材料相結合的藝術效果圖 (圖源：ICFO/F.Vialla)

鑒于此，浙江大學光電學院戴道鋅教授團隊以 Silicon/2D-material photodetectors: from near-infrared to mid-infrared 為題于 Light: Science & Applications 發表綜述論文。

本綜述聚焦：近紅外及中紅外波段的硅-二維材料探測器，系統分析了其工作機制、結構類別及性能特點等，并對其未來發展進行展望。

硅-二維材料光電探測工作機制、器件結構及性能評價

二維材料光電探測器工作機制非常豐富，本文對此進行了深入分析和總結，如下圖所示。根據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型兩大類。

圖1 二維材料光電探測器工作機制

光子型包括兩種類型：

其一是探測光生載流子的光伏效應、內光子發射、直接隧穿、Fowler-Nordheim隧穿等機制；

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

熱效應型包括：

輻射熱效應、基于塞貝克效應的光熱電效應等。

二維材料工藝上比較靈活，因而其器件結構也較為多樣化。二維材料光電探測器可歸納為三大類：

（1）金屬-二維材料-金屬型；

（2）金屬-二維材料+X-金屬結構；

（3）二維材料-異質結結構。

二維材料光電探測器結構類型

金屬-二維材料-金屬型結構

該結構最為常見，但涉及多種工作機制。例如，近零偏置電壓時，在橫向不對稱通道、橫向p-n結及金屬-石墨烯界面中，光熱電效應是光響應主要機制；而更大偏壓時，光電導效應、輻射熱效應等電導型探測機制成為主導。而對于許多過渡金屬硫族化合物（TMDC）或者黑磷（BP）器件，常產生光柵壓效應主導的光電響應。此外，光伏效應、輻射熱效應、光熱電效應在TMDC或BP器件中也比較常見。

金屬-二維材料+X-金屬結構

該類結構中二維材料溝道與其它材料X接觸，通常會引入各種束縛態，因而光柵壓效應成為主導工作機制。其特點是高增益、低速度及響應度易于飽和。

二維材料-異質結結構

該結構中信號電極和接地電極分別與包含2DM的各種異質結中不同材料相接觸。該類器件往往涉及光伏效應、內部光發射效應、隧穿效應等類別。

總結與展望

從目前的發展來看，實現高性能硅-二維材料光電探測器仍具有較大挑戰，亟需進一步突破響應速度和探測靈敏度的制約，同時根據實際需求選取與之匹配的器件結構與工作機制從而進一步強化某些性能指標。

例如，對于光學成像或光譜分析，其響應速度要求通常為kHz-MHz級，故可重點考慮光柵壓效應器件，利用其極大增益實現高靈敏度弱光探測，但亟需關注如何提升其線性度及動態范圍。而對于高速光互聯等應用，亟需發展>100GHz超大帶寬光電探測器，或可選取金屬-石墨烯-金屬結構，但需關注如何提高其信噪比。此外，盡管二維材料異質結器件被認為有望實現響應度、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工藝等方面取得突破。

總的來講，硅-二維材料光電探測器研究可分為材料級、器件級、鏈路級及商用級等幾個層級，其發展還面臨系列挑戰：

（1）大規模、高質量、CMOS兼容的二維材料生長和轉移工藝。

（2）全面突破響應度、速度、靈敏度、線性度以及穩定性等綜合性能。

（3）二維材料器件制備均一性、可靠性、規模化等。