光電探測(cè)器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器件。高性能光電探測(cè)器，尤其是紅外光電探測(cè)器，在光通信、熱成像、醫(yī)療、軍事和環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。根據(jù)探測(cè)波長(zhǎng)的分類，紅外光電探測(cè)器可以分為近紅外（0.78-3μm）和中紅外（3-30μm）光電探測(cè)器等。光通信波段屬于近紅外波段的范圍，因此本文主要討論近紅外光電探測(cè)器。目前，基于銦鎵砷（InGaAs）和汞鎘碲（HgCdTe）等傳統(tǒng)化合物半導(dǎo)體材料的紅外光電探測(cè)器，面臨著一些問(wèn)題，從而難以滿足日益增長(zhǎng)的商業(yè)需求。新型二維材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，是制備下一代低功耗、小型化光電探測(cè)器的重要材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院的研究人員聯(lián)合在《中國(guó)激光》期刊上發(fā)表了以“基于二維材料的光通信波段光電探測(cè)器”為題的文章。文中首先介紹了二維材料的基本性質(zhì)；其次闡述了光電探測(cè)器的基本工作原理和性能指標(biāo)；然后論述了由二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)建光電探測(cè)器在光通信波段的研究進(jìn)展；最后總結(jié)了二維材料在光通信波段光電探測(cè)器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景和未來(lái)挑戰(zhàn)。

二維材料的基本性質(zhì)

二維材料是指某一個(gè)維度尺寸是原子級(jí)厚度，另外兩個(gè)維度尺寸遠(yuǎn)大于這個(gè)維度的一類材料。隨著2004年單層石墨烯的成功剝離吸引了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，許多二維材料被相繼發(fā)現(xiàn)，包括過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）和氮化硼（BN）等。大部分的二維材料都表現(xiàn)出了獨(dú)特的物理性質(zhì)，其光電特性如圖1所示。

圖1 覆蓋寬光譜的二維材料。（a）氮化硼、過(guò)渡金屬硫族化合物和石墨烯的結(jié)構(gòu)和帶隙示意圖；（b）從紫外到遠(yuǎn)紅外等光譜范圍，其中光通信波段屬于近紅外范圍內(nèi)。

光電探測(cè)器的工作原理和主要性能參數(shù)

根據(jù)從光信號(hào)-電信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作原理，光電探測(cè)器可分光電導(dǎo)效應(yīng)（Photoconductive effect，PCE）、光伏效應(yīng)（Photovoltaic effect，PVE）、光柵控效應(yīng)（Photogating effect，PGE）、光熱效應(yīng)（Photo-thermoelectric effect，PTE）等四種類型。

光電探測(cè)器的性能參數(shù)包括暗電流和光電流、開(kāi)關(guān)比（ON/OFF ratio）、光靈敏度（Responsivity，R）、量子效率（Quantumefficiency，QE）、等效噪聲功率（Noise equivalent power，NEP）、比探測(cè)率（Specificdetectivity，D*）和響應(yīng)速率。

基于單元素二維材料的光通信波段光電探測(cè)器

文中主要論述了基于二維材料的光電探測(cè)器在光通信波段應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r。

基于石墨烯的光通信波段光電探測(cè)器

由于石墨烯具有零帶隙和超高的遷移率，因此通常應(yīng)用于高頻、寬光譜的光電探測(cè)器，如圖2所示。2010年，Mueller等采用了交叉排列的金屬/石墨烯/金屬器件結(jié)構(gòu)，電極金屬分別采用鈦（Ti）和鈀（Pd），由于不同金屬功函數(shù)的差異性，從而導(dǎo)致能帶彎曲和溝道的不對(duì)稱電場(chǎng)，進(jìn)而在光通信C帶1550nm處獲得了6.1mA/W的靈敏度和10GBit/s高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可應(yīng)用于高速光電探測(cè)。基于石墨烯的光通信波段探測(cè)器雖具有超快響應(yīng)速度，但存在光靈敏度低的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Chen等基于硅襯底制備了石墨烯基光電探測(cè)器，其石墨烯作為光吸收和電荷傳輸層，進(jìn)而在1550nm波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了0.23A/W高的靈敏度和3μs短的響應(yīng)時(shí)間，這是由于石墨烯和硅形成的內(nèi)建電場(chǎng)有效地延長(zhǎng)了光生載流子的壽命。

圖2 用于光通信的石墨烯基光電探測(cè)器

基于黑磷的光通信波段光電探測(cè)器

BP也是一種單元素二維層狀半導(dǎo)體材料，具有0.3-2eV的直接帶隙和較高的遷移率，從而被應(yīng)用于新型光通信波段光電探測(cè)器，如圖3所示。2014年Engel等制備的BP光電探測(cè)器在1550nm波長(zhǎng)處可實(shí)現(xiàn)5mA/W。緊接著Youngblood等制備了與硅光學(xué)波導(dǎo)集成的BP光電探測(cè)器，在光通信波長(zhǎng)1550nm處實(shí)現(xiàn)了3GBit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。2017年Liu等制備了基于BP/Au肖特基的光電探測(cè)器，在C帶1550nm處實(shí)現(xiàn)了230mA/W高的靈敏度和4.8-6.8ms的響應(yīng)時(shí)間。這表明了BP在光通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

圖3 用于光通信的BP光電探測(cè)器

基于碲的光通信波段光電探測(cè)器

最近，碲烯作為一種新型單元素二維材料，由于具有高遷移率和好的穩(wěn)定性等優(yōu)良特點(diǎn)，從而獲得了廣泛的研究和關(guān)注。文中簡(jiǎn)要論述碲在光通信波段上的應(yīng)用，如圖4所示。Amani等在Au和氧化鋁上制備了碲光電探測(cè)器，通過(guò)調(diào)節(jié)氧化鋁的厚度便可調(diào)節(jié)光電探測(cè)器在不同探測(cè)波長(zhǎng)的靈敏度，如當(dāng)氧化鋁的厚度為150nm，在光通信波長(zhǎng)1550nm處實(shí)現(xiàn)了7A/W高的靈敏度。Shen等制備的碲光電探測(cè)器在光通信波長(zhǎng)1550nm處實(shí)現(xiàn)了19.2mA/W靈敏度和37MHz的帶寬。2022年Ma等通過(guò)物理氣相沉積生長(zhǎng)碲納米片并制備成光電探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)到厘米波段的探測(cè)。

圖4 用于光通信的碲光電探測(cè)器

基于其他單元素二維材料的光通信波段光電探測(cè)器

除了石墨烯、BP和Te之外，還有其他的單元素二維材料，比如鍺（Ge）、鉍（Bi）和砷（As）等。這些材料具有高遷移率、窄帶隙等特點(diǎn)，可被應(yīng)用于光通信波段光電探測(cè)器。作者主要介紹了Ge、Bi和As在光通信波段光電探測(cè)器的應(yīng)用，如圖5所示。Song等報(bào)道了一種光子晶體共振結(jié)構(gòu)的Ge光電探測(cè)器，在通信波長(zhǎng)1550nm處實(shí)現(xiàn)了0.62A/W高的靈敏度，在整個(gè)C帶實(shí)現(xiàn)了50%的外量子效率。Yao等人首次報(bào)道了一種穩(wěn)定的寬光譜（370-1550nm）探測(cè)的Bi光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了0.25A/W高的靈敏度、0.9s的上升時(shí)間和1.9s的衰減時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)O、E、S和C波段探測(cè)。這充分說(shuō)明了Ge、Bi和As等單元素二維材料在光通信波段光電探測(cè)器中的應(yīng)用潛力。

圖5 用于光通信的鍺、鉍和砷光電探測(cè)器

基于雙元素二維材料的光通信波段光電探測(cè)器

雙元素二維材料種類繁多，如TMDs、拓?fù)浣^緣體和過(guò)渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）等，具有高遷移率和適當(dāng)大小的帶隙，因此被廣泛應(yīng)用于光通信波段光電探測(cè)。

基于過(guò)渡金屬硫族化合物的光通信波段光電探測(cè)器

MoS2作為一種典型的TMDs材料，在單層具有1.89eV的直接帶隙，而在多層的時(shí)候具有1.3eV的間接帶隙，且其帶隙隨層厚的增加而減小。因此，MoS2不適合應(yīng)用于光通信波段光電探測(cè)器，而Wang等人利用偏氟乙烯三氟乙烯鐵電聚合物膜作為介電層制備了MoS2光電探測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)了500到1550nm的探測(cè)范圍。而多層MoTe2是一種具有0.9eV左右的間接帶隙半導(dǎo)體，可被應(yīng)用于光通信波段光電探測(cè)器。此外，MoTe2還存在另外一種II型外爾半金屬態(tài)（Td-MoTe2），可以實(shí)現(xiàn)寬光譜探測(cè)范圍。這充分表明了MoTe2等TMDs材料在集成光子光通信光電探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖6 用于光通信的MoS2和MoTe2光電探測(cè)器

貴族金屬硫族化合物作為一類特殊的TMDs材料，它們具有103cmV?1s?1高的遷移率、0-2eV的帶隙和強(qiáng)穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，可被應(yīng)用于光通信波段光電探測(cè)器，故而引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，研究結(jié)果如圖7所示。

圖7 用于光通信的貴金屬硫化物光電探測(cè)器

基于拓?fù)浣^緣體的光通信波段光電探測(cè)器

二維拓?fù)浣^緣體，如薄層Bi2Se3等具有0.3eV窄帶隙，且與MoS2相當(dāng)?shù)倪w移率。因此它們也成為一種被應(yīng)用于高性能紅外波段光電探測(cè)器的候選材料。如圖8所示，2018年Wang等通過(guò)范德瓦爾斯外延法生長(zhǎng)厘米級(jí)的Bi2Se3薄片（3-10nm），并制備了光電探測(cè)器。Sharma等制備了基于另一種拓?fù)浣^緣體，Bi2Te3的光電探測(cè)器在光通信波段其靈敏度高于330A/W，探測(cè)率高于1.0×101?Jones。這充分表明了拓?fù)浣^緣體材料在光通信波段光電探測(cè)器的應(yīng)用潛力。

圖8 用于光通信的硒化鉍光電探測(cè)器

基于MXenes的光通信波段光電探測(cè)器

MXene薄膜具有90%以上的寬波段光學(xué)透射率，大部分的MXenes都是金屬態(tài)和半金屬態(tài)，因此通常被應(yīng)用于電磁屏蔽、等離子體和光電探測(cè)器等應(yīng)用中。如圖9所示，Jeon等人構(gòu)建了基于Mo2C/MoS2混合結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，當(dāng)光柵結(jié)構(gòu)為多周期時(shí)，該混合探測(cè)器能實(shí)現(xiàn)>103A/W高的靈敏度和>102高的光開(kāi)光比，相比于MoS2光電探測(cè)器在光通信波長(zhǎng)1310nm處的靈敏度提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。這充分證明了MXenes在高靈敏度光通信波段光電探測(cè)器中具有重要的應(yīng)用前景。

圖9 用于光通信的Mo2C光電探測(cè)器

基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建的光通信波段光電探測(cè)器

二維材料/二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)

窄帶隙半導(dǎo)體具有吸收低能量光子的特性，但是通常表現(xiàn)出較差的光響應(yīng)和較低的響應(yīng)速度，這是由于較弱的光吸收和低效的載流子分離和傳輸。通過(guò)vdW構(gòu)建的二維異質(zhì)結(jié)，其內(nèi)電場(chǎng)可以有效地抑制暗電流噪聲和電荷復(fù)合，從而提高光電流和光響應(yīng)，相關(guān)研究成果如圖10所示。

圖10 基于光通信的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器

基于p-g-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)

基于p-g-n的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種用于高性能寬帶光電探測(cè)的新興器件架構(gòu)。在TMDs/TMDs異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間夾入石墨烯，不僅可以改善TMDs層之間的接觸、提高電子-空穴對(duì)分離效率和減少界面電荷陷阱以獲得更快的光響應(yīng)，而且借助石墨烯的無(wú)間隙還可以拓寬光電探測(cè)器的探測(cè)光譜范圍。此外，通過(guò)改變石墨烯中間層的厚度，可以有效地調(diào)整和優(yōu)化光生載流子到電極的光吸收、遷移率和傳輸距離。Long等在MoS2和WSe2之間夾入石墨烯，形成p-g-n范德華異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了400-2400nm的寬探測(cè)波長(zhǎng)范圍和53.6/30.3μs短的上升/下降時(shí)間。

結(jié)束語(yǔ)

本篇綜述介紹了光探測(cè)器的原理、評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)、二維材料的優(yōu)勢(shì)和基于二維材料及其異質(zhì)結(jié)的光通信波段光電探測(cè)器。盡管目前報(bào)道的二維材料在光探測(cè)方面具有優(yōu)異的性能，但仍有一些困難需要解決。

首先，二維材料目前仍存在難以大規(guī)模制備以及器件的均一和可靠性差等問(wèn)題。化學(xué)氣相沉積法（CVD）是實(shí)現(xiàn)二維材料產(chǎn)業(yè)化制備的最有潛力的技術(shù)。然而目前該方法在材料的結(jié)晶性和層厚方面上的可控性較差，這使得CVD制備的二維材料的遷移率相對(duì)較低。

其次，二維材料光探測(cè)器件的研究往往受到接觸端點(diǎn)肖特基勢(shì)壘的影響，一方面勢(shì)壘抑制了電荷傳輸，降低了器件的性能。另一方面肖特基勢(shì)壘本身也具有強(qiáng)烈的光響應(yīng)，這會(huì)對(duì)光電探測(cè)器光響應(yīng)的研究產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，因此如何實(shí)現(xiàn)接觸位點(diǎn)的歐姆接觸一直都是二維材料研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

再者，由于二維材料超薄的性質(zhì)，二維材料的光吸收不足，導(dǎo)致靈敏度和EQE低。為了增強(qiáng)光吸收，通常會(huì)增加材料的層數(shù)，但這會(huì)產(chǎn)生較大的暗電流，降低了檢測(cè)靈敏度。為此，除了上文中介紹的通過(guò)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的方法還有如下策略：1）光柵控效應(yīng)：光柵控效應(yīng)是通過(guò)光誘導(dǎo)阱調(diào)制溝道電導(dǎo)的一種方法。活性材料吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中一類載流子將被捕獲形成局域場(chǎng)。光誘導(dǎo)的局域場(chǎng)延長(zhǎng)了光生載流子的壽命，獲得了較高的增益；2）等離子共振場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)：它的機(jī)理是二維材料中的二維電子氣與表面等離子波相互作用的過(guò)程，當(dāng)?shù)入x子體波受到弱阻尼時(shí)，等離子體波與二維電子氣體形成干涉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)等離子體波的共振探測(cè)模式，共振檢測(cè)模式的信號(hào)強(qiáng)度通常要增強(qiáng)5-20倍；3）電場(chǎng)力調(diào)控效應(yīng)：利用鐵電材料超高的極化強(qiáng)度引起的極強(qiáng)電場(chǎng)，來(lái)減小溝道材料的禁帶寬度并抑制暗電流，從而提高探測(cè)范圍和靈敏度。此外，可以嘗試一些新穎的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，在p-n結(jié)之間插入紅外光吸收層可實(shí)現(xiàn)更低的暗電流和更高的靈敏度。

總之，基于二維材料的紅外光電探測(cè)器的優(yōu)異性能表明它們有希望應(yīng)用于下一代高性能紅外光電探測(cè)器。要想滿足實(shí)際應(yīng)用，在高品質(zhì)、大規(guī)模二維材料的制備、以及器件制造工藝上仍需要大量的研究工作。

審核編輯：郭婷