撰稿|由课题组供稿
关键词: 范德华（vdW）材料，碲（Te），波导集成探测器，中红外集成光子
中红外波导集成光电探测器在传感、光通信领域至关重要。然而，由于晶格失配，传统中红外光敏材料与硅基平台集成是一项挑战。新型窄带隙vdW材料--Te，具有高迁移率和良好稳定性，是一个有潜力的中红外光敏材料。该研究团队将Te与硅光波导集成，在2015nm实现2.3A/W的响应度和4GHz的带宽，是当前基于vdW材料的最快中红外探测器。
中红外光谱范围(2-20 μm)是一个重要波段，高性能波导集成中红外光电探测器有望用于MIR光通信网络和片上光学传感系统。传统的窄带隙半导体材料，如HgCdTe合金，三五族化合物等材料受晶格失配和不同热膨胀系数的限制，很难在硅光子平台上实现外延生长，并用于波导集成光电探测器。范德华（vdW）材料具有超快载流子迁移率、高非线性、可调带隙、原子级平坦表面和强光-物质相互作用等特性，正在成为潜在的候选材料。近年来，具有良好空气稳定性，高载流子迁移率（~900 cm2 V-1 s-1）的单质Te，被广泛关注，有望应用于高性能片上集成中红外探测。
研究团队致力于研究高速的探测器件。首先对合成的Te纳米片进行瞬态光谱测试，得到其载流子寿命为~75ps,证明了Te高速器件应用的潜力。Te由于其有独特的手性链晶格结构，存在着平面各向异性，导致其载流子迁移率大小与材料的晶向息息相关，进而影响器件的响应速度。我们制备了图1（b）所示的十字形结构，对其[0001]晶向及其垂直方向载流子迁移率进行表征，然后通过搭建的高速表征系统，证明了[0001]晶向制备高速器件的潜力。波导集成探测器由于其结构优势，即载流子收集方向和光吸收方向相互正交，能够避免沟道宽度和探测面积的相互制约，同时实现高带宽（短沟道）和高响应度（光与物质充分作用）的中红外光电探测。研究团队将波导结构的倏逝波增强与载流子收集路径和Te[0001]晶向统筹结合，制备了波导集成Te光电探测器。
图1. (a) Te的瞬态反射光谱。插图：平均归一化载流子浓度曲线。(b) Te自由空间光电晶体管的示意图，方向x为[0001]晶向，y方向与x正交。(c) 器件沿 x 和 y 方向在不同偏置电压下的3dB带宽（f3dB）。(d) 器件在x和y方向上的3V偏置下的频率响应。
研究团队对波导集成的Te光电探测器静态和动态光电响应进行表征，在2015nm处，探测器的响应度达到了2.3A W-1（Pin=10.1μW），器件的外量子效率达到了80%。通过对器件的结构分析，光电导效应为主要的响应机制。光电流与输入光功率之间的非线性关系（图2f）主要归因于Te中的陷阱态可以捕获有限的电子，从而延长了空穴的寿命，从而在低光功率下实现了高EQE。然而，陷阱态已被大光功率的载流子完全填充，导致响应度降低。器件的响应带宽达到了4GHZ，是迄今为止速度最快的vdw探测器。然后，使用伪随机位序列（PRBS）进行眼图测量，数据速率分别为1.25,2.48,3.125Gbit s-1，得到了较好的眼图测试结果（图3b），证明了基于Te的波导集成探测器有望应用于高速通信链路中。
图2 (a) Te光电探测器的3D结构图示意图，插图：光电探测器的横截面示意图。(b) Te 光电探测器的显微镜图像。(c) 有/无Te情况下MZI的传输光谱。(d) 不同光功率下的光电流随着偏置电压变化曲线。(e) 响应度和外量子效率 (EQE)随着偏置电压变化曲线，Pin为10.1μW。(f) 光电流和响应度随着输入功率的变化曲线。
图3 (a) 波导集成 Te 光电探测器的频率响应。b) 偏置1.5V、垂直比2mV/div、伪随机二进制序列(PRBS)长度223-1 时测得的眼图。c) 不同偏置电压下的 f3dB。
此项研究在基于Te的高速中红外集成光子探测领域做出了重大突破。研究者相信，未来基于Te的集成器件将在中红外片上通讯、传感方面有着巨大的应用前景。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials上，文章共同第一作者是浙江大学博士生马辉，西湖大学博士生吴江宏，浙江大学博士生王云鹏，博士后钟础宇，通讯作者是浙江大学林宏焘研究员。该研究得到国家自然科学基金的支持。
论文信息：
Enhanced Light-Tellurium Interaction through Evanescent Wave Coupling for High Speed Mid-Infrared Photodetection Hui Ma, Jianghong Wu, Yunpeng Wang, Chuyu Zhong, Yuting Ye, Maoliang W2, Rui Yu, Yiqing Du, Bo Tang, Cheng Su, Yilin Shi,, Chunlei Sun, Lichun Wang, Haiming Zhu, Xvsheng Qiao, Lan Li, and Hongtao Lin*Advanced Optical Materials
DOI: 10.1002/adom.202201443
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adom.202201443
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