近期，《中国光学》发表了西北工业大学甘雪涛教授课题组的文章“面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器”，该文被推选为专刊封面文章。
此封面文章围绕基于二维材料的硅光子集成探测器的材料特性、探测机制、性能指标、器件结构等展开讨论。在回顾了基于二维材料的硅光子集成探测器的研究进展之后，对这些器件结构和主要性能指标进行了总结，进一步讨论了提升性能的可行策略，包括大规模二维材料集成器件的制备、器件结构与金属接触界面的优化以及对新兴二维材料光电探测器的探索。
本期，让我们一起走进甘雪涛教授课题组，了解封面文章背后的故事。
胡思奇, 田睿娟, 甘雪涛. 面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器[J]. 中国光学, 2021, 14(5): 1039-1055. doi: 10.37188/CO.2021-0003
论文网址
http://www.chineseoptics.net.cn/cn/article/doi/10.37188/CO.2021-0003
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《中国光学》 2021年 第14卷 第5期 期刊封面图
Q1：硅基光电子混合集成技术的发展前景和技术瓶颈？
A：近年来，随着大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的发展，信息的产生、处理、存储等过程的数据量都面临“爆炸式”增长，仅在过去两年中产生的数字信息量就占到了现有数据总量的九成。
与此同时，为支持数据存储和高性能计算能力继续按照摩尔定律增长，需要极大地提升芯片间通信的带宽密度（到2020年每个互连的带宽密度需求已超过40Gb/s）。
传统集成电路电互连技术由于带宽有限、电串扰和输入/输出引脚密度低等缺点，无法满足“信息爆炸”下高速高密度的数据处理需求。光互连具有超大带宽、低功耗和低串扰等优势，有望替代传统电互连，实现高速信息交换。
硅基光子技术的发展使得硅基光电子芯片成为将光互连应用于芯片上和芯片间信息交互的最有前途和最具吸引力的平台之一。硅的物理特性使得硅基光子技术具有许多显著优点：
（1）作为光传输波导的硅和包层之间具有高折射率差，可实现超低损耗的全反射光传输；
（2）硅具有1.1 eV的非直接带隙，可提供从1.1μm到中红外光波段的超宽透明窗口；
（3）硅波导具有可调控的色散和非线性；
（4）硅材料具有高损伤阈值、大热导率以及成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）加工工艺；
（5）硅波导对传输光的强束缚作用有利于光模式的灵活设计，可用于实现诸如微环腔、偏振转换、波分复用器等无源器件。
然而，完整的光互连芯片需要具有产生、调制和探测光的有源器件。尽管硅基光子技术在光互连方面具有很大优势，但硅的物理特性使其在实现这些有源器件方面存在限制，需将其他有源材料与硅基光电子芯片进行混合集成。例如：
（2）硅不存在线性电光效应，无法类似铌酸锂实现高线性度、超高速的光调制，而基于硅载流子色散效应的调制器插损大、速度受限、制备繁琐；
（3）硅不吸收波长大于1.1μm的光波，无法进行通信波段光探测。
Q2: 二维材料的出现为硅基光电子混合集成提供了怎样的发展机遇？
A: 二维材料的出现为实现高性能光电探测器提供了新的可能。相比于锗等传统块体半导体，基于二维材料的硅光子集成探测器具有以下优点：
（1）二维材料具有原子级平滑的无悬空键表面，无需考虑与硅衬底的晶格匹配问题；
（2）由于原子级厚度、机械强度高、柔韧性好等优点，适用于成熟的CMOS加工工艺，可以与硅光子结构实现大规模集成；
（3）石墨烯、黑磷、黑磷砷等二维材料的本征带隙很小甚至为零，可实现宽光谱光电响应，且响应范围可至中红外甚至太赫兹波段；
（4）二维材料中自由载流子数量相对较低，可将探测器的暗电流抑制到较低水平，有利于室温下的高灵敏探测；
（5）二维材料与其他光敏材料（如共轭高分子、量子点等）相比具有较高的载流子迁移率，可以实现高速的光电响应。因此，近年来，基于二维材料的硅光子集成探测器得到了广泛的关注。
Q3: 用于硅光子集成探测器的二维材料有哪些选择和优点？
A: 二维材料囊括了金属性、半导体性和绝缘体性在内的诸多材料属性，其丰富的物理特性是实现高性能光电探测器的基础。常用于硅光子集成探测器的二维材料，包括石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物、六方氮化硼及组成的异质结等。
图2：几种用于硅光子集成探测器的二维材料 (a) 石墨烯；(b) 黑磷；(c) 过渡金属硫化物；(d) 六方氮化硼
以石墨烯为例，由于其能带结构中导带和价带存在狄拉克点，石墨烯是零带隙的半金属，具有从可见光到太赫兹的超宽谱光响应范围。由于其完美无缺陷的晶格结构，石墨烯在室温下有着高达2×105 cm2/V·s的超高载流子迁移率和5300 W/m·K的超高导热率，使得其具有飞秒级的超短弛豫时间。因此，石墨烯是实现超快光电探测的理想材料。
石墨烯另一个吸引人的特性是它可在极端化学环境下保持稳定，并在机械应力下具有极佳的延展性，使得其易与硅光子结构集成且器件加工与CMOS工艺兼容。
此外，基于其他二维材料如黑磷、过渡金属硫化物及其异质结的硅光子集成探测器也已被实验证明具有高响应率、宽波长范围探测区间和低暗电流等优点。
Q4: 基于二维材料的硅光子集成探测器有哪些工作机制？
A: 目前基于二维材料的硅光子集成探测器具有多种光电转换机制，包括：光电导效应、光栅效应、光伏效应、光热电效应和光辐射热效应等。
图3：二维材料探测器的光电转换机制。(a) 光电导效应；(b)光栅效应；(c)光伏效应；(d)光热电效应；(e)辐射热效应
根据光电转换机制，基于二维材料的硅光子集成探测器也可进一步分为两类：光子探测器（包括光电晶体管和光电二极管）和热探测器。这些丰富的光电转换机制极大地拓展了二维材料在光电探测器领域的应用范围。
Q5: 您在研究基于二维材料的硅光子集成探测器的过程中经历了哪些重要阶段，解决了哪些重要问题？
A: 2013年，我们提出了硅波导集成石墨烯增强光吸收和金属掺杂肖特基结分离光生载流子的两种思路，实现了不需外加偏置的片上高性能石墨烯光探测器。
一方面，通过将石墨烯与硅波导表面的倏逝场耦合，该器件在53μm的耦合长度中实现了超过60%的光吸收率。
另一方面，通过将电极不对称地放置在波导的两侧，利用石墨烯和金属之间功函数的差异形成横向金属掺杂结，使得器件在零偏压下能够分离光生电子-空穴对产生光电流。实现了无需外加偏置的高性能石墨烯探测器，其在1450 ~ 1590 nm 波长范围内保持平坦的高响应率（0.1 A/W），20 GHz高频测量仅出现1 dB信号衰减且在12 GHz数据通信链路上呈现清晰眼图。
与此同时，国际上另外两个课题组，Wang等和Pospischil等也分别报道了硅波导集成的石墨烯探测器，阐述了其宽光谱、高响应率、CMOS工艺兼容等特性。
很有意思地，这三个工作几乎同时投稿至《Nature Photonics》，并在同一期获得发表，也充分说明了科研人员对基于石墨烯的硅光子集成探测器所寄予的期望，也激发了后续近十年来人们对基于二维材料的硅光子集成探测器的研究热潮。
Q6: 基于二维材料的硅光子集成探测器还有哪些问题、挑战及可行的解决方向？
A: 值得注意的是，虽然基于二维材料的硅光子集成探测器表现出许多优异性能，但其在实际应用中还存在着一些潜在的挑战。例如：
（1）较大的暗电流限制了石墨烯探测器的探测灵敏度与器件功耗；
（2）大的器件接触阻抗限制了黑磷和过渡金属硫化物探测器的响应速度；
（3）通过机械剥离制备二维材料器件存在产率低和可重复性低的缺点，无法实现商业应用。
因此，还需进一步改进二维材料与硅光子集成工艺和提升二维材料探测器的性能。
未来，基于二维材料的硅光子集成探测器的研究可集中在以下几个方面：
（1）大规模二维材料-硅光子集成器件的制备。目前大多数基于二维材料的硅光子集成探测器中的二维材料都是通过机械剥离法制备得到的。由于该方法制备的二维材料面积小且形状不规则，极大地限制了二维材料在硅光子集成领域的大规模应用。近年来，二维材料如石墨烯、二硫化钼、氮化硼的大规模生长和转移技术已有了长足的发展。为了使二维材料能用于大规模硅光子集成器件的制造，早日实现商业应用，研究人员应积极探索二维材料或二维材料异质结的生长，以制备大面积、高质量、低成本的二维材料。
（2）器件界面与接触电阻的优化。对于石墨烯探测器暗电流大的缺点，一个已被证明的解决方案是将石墨烯与其他二维材料如过渡金属硫化物垂直堆叠在一起形成范德华异质结。然而在二维材料异质结制备过程中，界面污染与缺陷对二维材料的物理性能有着巨大影响。因此，如何获得干净、无缺陷的界面是异质结构制备过程中的重要问题。同时，由于不同金属的功函数不同，与二维半导体接触时会形成不同势垒高度，影响着硅基光电子混合集成探测器的性能。前期研究表明，传统金属与二维半导体接触时具有较强的费米能级钉扎效应，可形成大的肖特基势垒，而二维金属与二维半导体形成的金属半导体接触被认为能有效缓解这种效应，降低肖特基势垒，以减小接触电阻。
（3）新兴二维材料与硅光子集成。新兴二维材料如MXene、硒化铟、石墨炔具有许多出色的特性，包括合适的带隙、高功率下良好的光电转换效率、优异的光吸收能力和大的迁移率。这些新兴的二维材料有望在硅基光电子混合集成光电探测领域得到应用。
目前，基于二维材料的硅光子集成探测器处于实验室研究的初期，相比传统块体材料集成器件领域来说市场仍处在早期阶段，且在硅基光电子芯片应用的大数据、云计算、物联网等各领域中的商业化还面临着巨大挑战，因此市场化还有很长的路要走。
尽管如此，各个领域对具有高速、高响应率、宽波长范围和低暗电流优点的光电响应器件需求的持续增长，使得基于二维材料的硅光子集成探测器具有很大的发展潜力。这需要前沿研究和产业研发的共同协作，通过研究大规模二维材料−硅光子集成器件的制备工艺，不断优化器件的性能，并对新兴二维材料与硅光子集成的应用可能进行探索，建立科研成果和市场产品之间有效的连通桥梁，以解决基于二维材料的硅光子集成探测器所面临的关键问题，最终达到大规模市场应用的目标。
甘雪涛，博士，西北工业大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，现任西北工业大学微电子学院副书记（主持工作）、光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室主任。1984年出生于安徽省宿州市。2007年毕业于西北工业大学获光信息科学与技术专业学士学位，2013年毕业于西北工业大学获光学工程专业博士学位。2010年至2012年，受国家留学基金委资助公派赴美国哥伦比亚大学电子工程系从事联合培养博士学习，师从著名纳米量子光学专家Dirk Englund教授（现任职于美国麻省理工学院）和光谱学专家Tony Heniz教授（现任职于美国斯坦福大学）。发表SCI论文100余篇，其中第一和通信作者论文50余篇，包括1篇Nature Photonics、2篇Light Science & Applications、1篇Optica、2篇Nano Letters、2篇Laser Photonics Reviews、5篇ACS Photonics、5篇Advanced Optical Materials等；授权美国发明专利2项，中国发明专利5项；撰写两本英文专著的各一章节。研究成果被Nature等期刊和科技媒体正面报道20余次。主持国家自然科学基金“优秀青年项目”、“新型光场调控物理及应用”重大研究计划-培育项目“面上项目”、“面上项目”、“青年项目”各1项。在国际国内学术会议作邀请报告20余次，担任分会主席10余次。兼任《Light: Advanced Manufacturing》期刊编委、中国激光杂志社青年编委、《中国光学》青年编委、全国专业标准化技术委员会委员、中国光学学会-光学全息与光信息处理专业委员会委员、陕西省光学学会理事、陕西省纳米科技学会理事。
2. 课题组研究方向及主要成果
甘雪涛教授课题组主要关注微纳光子结构中的光波调控及器件应用，并利用微纳光子结构增强二维材料的光学响应，以构建高性能的片上集成光源、调制器、探测器等，为面向片上光互连的光电子集成芯片提供可能的解决途径。
研究兴趣：
（1）光子晶体结构设计及器件应用（特殊空间结构光场产生、超灵敏传感）
（2）二维材料（石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷及其异质结等）光谱学（荧光、二次谐波、三次谐波等）
（3）光子晶体增强二维材料光学响应（吸收、发光、非线性响应等）
（4）基于二维材料的新型光源、调制器、探测器
围绕上述研究方向课题组已搭建了多套实验系统，包括：多光子显微系统、正交偏振共聚焦系统、微纳光电子器件调芯系统、低温（4K）荧光共聚焦系统、低温（80K）光电流测试系统、二维材料精准堆垛系统等。同时，课题组依托西北工业大学分析测试中心开展微纳光子器件加工，已建设加工和表征设备包括：电子束曝光系统（精度：30 nm）、等离子体刻蚀系统、高分辨率扫描电镜、原子力显微镜等。
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