Nature-纳米技术：波导集成型二维材料范德华异质结光电探测器

图1. 波导集成型异质结光电探测器的电子显微镜图像

撰稿 | 张博

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院和日本国立材料研究所的研究人员将二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)和石墨烯(Graphene)组装成范德华异质结，并集成在硅基光波导上。

制备了兼具高速度、高响应度的波导集成型光电探测器(如图1所示)。

通过减薄TMDCs或者施加偏压，可使探测器的带宽高达50 GHz；并且对于波长为1300 nm的入射光，探测器的光响应度可达0.2 A W^-1。

这项技术可用来制造光电探测器，发光二极管，激光器和光调制器，进一步提高光电器件的性能。

光电探测器的主要性能参数包括3dB带宽、暗电流、光响应度和量子效率。

快速、高效的光电探测器和光调制器是光通信中的核心部件，比如工作在标准通信波段下的高数据速率连接器，然而基于已有的光学材料提高光电器件的性能变得越来越困难。

由单层或几层原子组成的二维材料由于具有奇特的光电特性，有望进一步提高光电器件的性能，并且二维材料表面无悬挂键，易于集成而无需考虑晶格失配问题。

典型的二维材料像石墨烯具有极高的载流子迁移率，超高的电导率和热导率，优异的力学特性，在二维器件中得到了广泛应用。

但是石墨烯对光不敏感，并且由于零带隙的能带结构，直接用在光电探测器中会有很大的暗电流。

相较而言，TMDCs具有强烈的光-物质相互作用，但是载流子迁移率远小于石墨烯，导致探测器的带宽不高。

为了同时提高探测器的带宽和光响应度，研究者将MoTe₂和石墨烯制成垂直型范德华异质结，充分利用两种材料各自的优势，并与硅基光波导集成在一起，解决了前面提到的关键技术问题。（图2）

图2  a.  表征光探测器的实验装置，b. MoTe₂晶体样品

图3.耦合了硅基波导的垂直型MoTe₂-graphene异质结光电探测器的示意图

波导集成型异质结光电探测器如图3所示，MoTe₂和石墨烯垂直堆叠在一起，形成异质结，将光生载流子的传输路径缩短至几个纳米，减少了载流子的渡越时间。

此外，MoTe₂和石墨烯的非对称接触，形成内建电场，有助于载流子的分离。

单层石墨烯的高载流子迁移率保证了载流子的快速抽出，高电导率降低了器件的电阻。金薄膜沿着集成的波导放置，形成良好的载流子抽出通道。

通过调整上部电极的形状，可减小器件的有效面积，降低器件的电容。这些因素协同作用，有效增加了探测器的带宽，提高了探测器的响应速度。

如图4所示，对11 nm厚的MoTe₂薄膜，在-0.4 V的反向偏压下，3 dB带宽在30 GHz以上，进一步增大偏压，可使探测器的3 dB带宽达到50 GHz。

图4.不同MoTe₂厚度下，光电探测器的3 dB带宽随偏压的变化 

图5.波导集成型光电探测器的伪彩色图像

如图5所示，光电探测器和硅基光波导集成在同一个平台上。研究者使用中心波长为1300 nm的横向电偏振光，通过光栅耦合器进入光波导。

光经波导传输至探测器处，并通过倏逝波和MoTe₂耦合在一起，减少了光的损耗。

MoTe₂吸收光子，激发出电子-空穴对，在外电场作用下被有效的分离和抽出。

光生载流子的收集路径与光沿波导传输的方向相垂直，这就可以通过增加MoTe₂的长度，增加探测器的光响应度。

图6比较了不同光电探测器的带宽和光响应度，可见波导集成型异质结光电探测器同时具有高带宽和高响应度。

图6. 波导集成型异质结光电探测器与最先进的光电探测器的带宽和响应度的比较

图7.用于进行电学表征的器件示意图

如图7所示，MoTe₂和石墨烯在光电探测器中为非对称式接触，在两种材料的界面附近会形成内建电场，既有助于光激发的电子-空穴对的分离，也有助于降低器件的暗电流。

如图8 a所示，光电探测器在零偏压下的暗电流低至10^-10 A，几乎可以忽略不计，保证了探测器的灵敏度。通过增加接触的非对称程度、施加门电压，可以进一步降低器件的暗电流。

图8 b展示了探测器的光/暗电流比(photo-dark-currentration, NPDR)，可见对于波长较短的入射光，施加小的反向偏压，探测器的NPDR可达1000 mW^-1，这已经超越了石墨烯基的光电探测器。

图8  a. 探测器在有光和无光条件下的I-V曲线，b. 探测器的光/暗电流比值 

正如Flöry博士所说，“The possibilities are almost limitless”。

苏黎世联邦理工学院的研究人员坚信将波导和范德华异质结 集成在一起的技术不仅可以用在制造光电探测器上，还可以用来制造其它光学元件，像光调制器、发光二极管和激光器。

并且二维材料易于集成，并不局限在硅基光子学，也可以集成在氮化硅平台或者柔性基底平台上。

迄今为止，已经发现了几百种二维材料，可以构成各种新颖的异质结。

在未来，研究人员希望用他们的发现，继续探索其它二维材料的性能。他们还希望通过其它的物理效应，像等离子体激元，进一步提高光电器件的性能。

该成果近期在线发表在Nature子刊《Nature Nanotechnology》杂志上，题为“Waveguide-integrated vander Waals heterostructure photodetector at telecom wavelengths with high speedand high responsivity”，Nikolaus Flöry博士为第一作者，Lukas Novotny、Juerg Leuthold和Kenji Watanabe为通讯作者。