光電探測器是一種將光信號轉化為電信號的傳感器件。高性能光電探測器，尤其是紅外光電探測器，在光通信、熱成像、醫(yī)療、軍事和環(huán)境監(jiān)控等領域有著重要的應用。根據(jù)探測波長的分類，紅外光電探測器可以分為近紅外（0.78-3μm）和中紅外（3-30μm）光電探測器等。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器。目前，基于銦鎵砷（InGaAs）和汞鎘碲（HgCdTe）等傳統(tǒng)化合物半導體材料的紅外光電探測器，面臨著一些問題，從而難以滿足日益增長的商業(yè)需求。新型二維材料具有獨特的結構和光電性質，是制備下一代低功耗、小型化光電探測器的重要材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京大學材料科學與工程學院和深圳大學微納光電子學研究院的研究人員聯(lián)合在《中國激光》期刊上發(fā)表了以“基于二維材料的光通信波段光電探測器”為題的文章。文中首先介紹了二維材料的基本性質；其次闡述了光電探測器的基本工作原理和性能指標；然后論述了由二維材料及其異質結構建光電探測器在光通信波段的研究進展；最后總結了二維材料在光通信波段光電探測器件領域的應用前景和未來挑戰(zhàn)。

二維材料的基本性質

二維材料是指某一個維度尺寸是原子級厚度，另外兩個維度尺寸遠大于這個維度的一類材料。隨著2004年單層石墨烯的成功剝離吸引了科學家們的廣泛關注，許多二維材料被相繼發(fā)現(xiàn)，包括過渡金屬硫族化合物（TMDs）和氮化硼（BN）等。大部分的二維材料都表現(xiàn)出了獨特的物理性質，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、過渡金屬硫族化合物和石墨烯的結構和帶隙示意圖；（b）從紫外到遠紅外等光譜范圍，其中光通信波段屬于近紅外范圍內。

光電探測器的工作原理和主要性能參數(shù)

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

光電探測器的性能參數(shù)包括暗電流和光電流、開關比（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）、比探測率（Specificdetectivity，D*）和響應速率。

基于單元素二維材料的光通信波段光電探測器

文中主要論述了基于二維材料的光電探測器在光通信波段應用的發(fā)展狀況。

基于石墨烯的光通信波段光電探測器

由于石墨烯具有零帶隙和超高的遷移率，因此通常應用于高頻、寬光譜的光電探測器，如圖2所示。2010年，Mueller等采用了交叉排列的金屬/石墨烯/金屬器件結構，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，從而導致能帶彎曲和溝道的不對稱電場，進而在光通信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，可應用于高速光電探測。基于石墨烯的光通信波段探測器雖具有超快響應速度，但存在光靈敏度低的問題。為了解決這個問題，Chen等基于硅襯底制備了石墨烯基光電探測器，其石墨烯作為光吸收和電荷傳輸層，進而在1550nm波長處實現(xiàn)了0.23A/W高的靈敏度和3μs短的響應時間，這是由于石墨烯和硅形成的內建電場有效地延長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器

基于黑磷的光通信波段光電探測器

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

圖3 用于光通信的BP光電探測器

基于碲的光通信波段光電探測器

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，從而獲得了廣泛的研究和關注。文中簡要論述碲在光通信波段上的應用，如圖4所示。Amani等在Au和氧化鋁上制備了碲光電探測器，通過調節(jié)氧化鋁的厚度便可調節(jié)光電探測器在不同探測波長的靈敏度，如當氧化鋁的厚度為150nm，在光通信波長1550nm處實現(xiàn)了7A/W高的靈敏度。Shen等制備的碲光電探測器在光通信波長1550nm處實現(xiàn)了19.2mA/W靈敏度和37MHz的帶寬。2022年Ma等通過物理氣相沉積生長碲納米片并制備成光電探測器，可實現(xiàn)從可見到厘米波段的探測。

圖4 用于光通信的碲光電探測器

基于其他單元素二維材料的光通信波段光電探測器

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，可被應用于光通信波段光電探測器。作者主要介紹了Ge、Bi和As在光通信波段光電探測器的應用，如圖5所示。Song等報道了一種光子晶體共振結構的Ge光電探測器，在通信波長1550nm處實現(xiàn)了0.62A/W高的靈敏度，在整個C帶實現(xiàn)了50%的外量子效率。Yao等人首次報道了一種穩(wěn)定的寬光譜（370-1550nm）探測的Bi光電探測器，實現(xiàn)了0.25A/W高的靈敏度、0.9s的上升時間和1.9s的衰減時間，進而實現(xiàn)O、E、S和C波段探測。這充分說明了Ge、Bi和As等單元素二維材料在光通信波段光電探測器中的應用潛力。

圖5 用于光通信的鍺、鉍和砷光電探測器

基于雙元素二維材料的光通信波段光電探測器

雙元素二維材料種類繁多，如TMDs、拓撲絕緣體和過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）等，具有高遷移率和適當大小的帶隙，因此被廣泛應用于光通信波段光電探測。

基于過渡金屬硫族化合物的光通信波段光電探測器

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不適合應用于光通信波段光電探測器，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光電探測器，從而實現(xiàn)了500到1550nm的探測范圍。而多層MoTe2是一種具有0.9eV左右的間接帶隙半導體，可被應用于光通信波段光電探測器。此外，MoTe2還存在另外一種II型外爾半金屬態(tài)（Td-MoTe2），可以實現(xiàn)寬光譜探測范圍。這充分表明了MoTe2等TMDs材料在集成光子光通信光電探測器領域的應用潛力。

圖6 用于光通信的MoS2和MoTe2光電探測器

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的帶隙和強穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，可被應用于光通信波段光電探測器，故而引起了科學家們的廣泛關注，研究結果如圖7所示。

圖7 用于光通信的貴金屬硫化物光電探測器

基于拓撲絕緣體的光通信波段光電探測器

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

圖8 用于光通信的硒化鉍光電探測器

基于MXenes的光通信波段光電探測器

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

圖9 用于光通信的Mo2C光電探測器

基于范德瓦爾斯異質結構建的光通信波段光電探測器

二維材料/二維材料異質結構

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

圖10 基于光通信的范德瓦爾斯異質結光電探測器

基于p-g-n異質結構

基于p-g-n的異質結構是一種用于高性能寬帶光電探測的新興器件架構。在TMDs/TMDs異質結構之間夾入石墨烯，不僅可以改善TMDs層之間的接觸、提高電子-空穴對分離效率和減少界面電荷陷阱以獲得更快的光響應，而且借助石墨烯的無間隙還可以拓寬光電探測器的探測光譜范圍。此外，通過改變石墨烯中間層的厚度，可以有效地調整和優(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范德華異質結，實現(xiàn)了400-2400nm的寬探測波長范圍和53.6/30.3μs短的上升/下降時間。

結束語

本篇綜述介紹了光探測器的原理、評價參數(shù)指標、二維材料的優(yōu)勢和基于二維材料及其異質結的光通信波段光電探測器。盡管目前報道的二維材料在光探測方面具有優(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題?；瘜W氣相沉積法（CVD）是實現(xiàn)二維材料產(chǎn)業(yè)化制備的最有潛力的技術。然而目前該方法在材料的結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較低。

其次，二維材料光探測器件的研究往往受到接觸端點肖特基勢壘的影響，一方面勢壘抑制了電荷傳輸，降低了器件的性能。另一方面肖特基勢壘本身也具有強烈的光響應，這會對光電探測器光響應的研究產(chǎn)生嚴重干擾，因此如何實現(xiàn)接觸位點的歐姆接觸一直都是二維材料研究的熱點問題。

再者，由于二維材料超薄的性質，二維材料的光吸收不足，導致靈敏度和EQE低。為了增強光吸收，通常會增加材料的層數(shù)，但這會產(chǎn)生較大的暗電流，降低了檢測靈敏度。為此，除了上文中介紹的通過構建異質結的方法還有如下策略：1）光柵控效應：光柵控效應是通過光誘導阱調制溝道電導的一種方法。活性材料吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對，其中一類載流子將被捕獲形成局域場。光誘導的局域場延長了光生載流子的壽命，獲得了較高的增益；2）等離子共振場增強效應：它的機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程，當?shù)入x子體波受到弱阻尼時，等離子體波與二維電子氣體形成干涉，進而實現(xiàn)等離子體波的共振探測模式，共振檢測模式的信號強度通常要增強5-20倍；3）電場力調控效應：利用鐵電材料超高的極化強度引起的極強電場，來減小溝道材料的禁帶寬度并抑制暗電流，從而提高探測范圍和靈敏度。此外，可以嘗試一些新穎的設計和結構，在p-n結之間插入紅外光吸收層可實現(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器的優(yōu)異性能表明它們有希望應用于下一代高性能紅外光電探測器。要想滿足實際應用，在高品質、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