图片来源：interferencetechnology
撰稿 | 戴道锌
导读
研究背景
硅基光电子具有CMOS兼容、高集成度、可大规模集成等突出优点，已成为集成光学领域新兴的主流技术，在1.31/1.55 μm近红外波段光通信/互联等领域发挥重要作用。
近年来，硅基光电子正不断向2 μm及更长波段（中红外）推进，以满足未来光通信及先进光传感等重大需求。
因此亟需发展各类新波段的高性能硅基光电子器件，作为核心器件的光电探测器一直备受关注。
然而，传统半导体光电材料往往工作波段受限、工艺难以兼容等问题。
以石墨烯为代表的二维材料为解决这一难题提供了重要途径。特别是，其可调带隙使之具有宽光谱吸收特性，且避免了晶格失配/热膨胀失配等工艺问题。
而将石墨烯与硅纳米光波导相结合，可通过延长作用距离来增强光-石墨烯相互作用。
因此，硅-石墨烯波导光电探测器倍受关注且已取得系列进展，但仍需进一步研究以提升其响应度及响应速度等方面性能。
创新研究
在论文中，研究者提出了一种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导，采用超薄超宽硅脊型芯区结构，通过其模场调控，获得石墨烯光吸收增强的同时有效降低了金属吸收损耗，进而实现了具有高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器。
图1. 硅-石墨烯混合等离激元波导光电探测器
（a）器件结构原理示意图
（b）实物显微镜图
（c）SEM图
（d）硅-石墨烯混合等离激元波导截面示意图
而在水平方向，采用超宽硅脊结构以显著减小金属引入的光吸收，从而允许引入较宽金属电极以获得较小的金属-石墨烯接触电阻，进而有利于获得更高响应速度。
例如，对于2μm波段（单层石墨烯），仅需50 μm长度即可实现68.6 %光吸收率；
对于1.55μm波段，则仅需20 μm长度即可实现54.3%光吸收率。
该论文还系统分析了其光热电效应、辐射热效应、光电导效应等光电探测机制，阐明了不同偏压及石墨烯掺杂条件下形成的不同主导工作机制。
基于这种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导，研究者实现了具有低偏压、高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器：
在2μm波段，其3dB带宽>20 GHz、响应度达70 mA/W（偏压V=−0.3V，输入光功率P=0.28 mW）；
在1.55μm波段，其3dB带宽>40 GHz、响应度达400 mA/W（偏压V=−0.3V，输入光功率P=0.16mW）。
可应用于1.55/2μm波段光通信及光传感等领域。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41377-020-0263-6
文章来源：中科院长春光机所 | Light学术出版中心
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