面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器

胡思奇，田睿娟，甘雪涛

（西北工业大学物理科学与技术学院 超常条件材料物理与化学教育部重点实验室 陕西省光信息技术重点实验室和光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西西安710129）

1 引 言

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[1]。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[2]，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40 Gb/s[1]）。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[3]。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[4]。

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[5]。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[6]；（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[7]；（3）硅波导具有可调控的色散和非线性[8]；（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[9]；（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[10]。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[11]。例如，硅的非直接带隙使其高效发光一直是个难题；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；硅不吸收波长大于1.1μm的光波，无法进行通信波段光探测。

对于本文主要讨论的硅基光电子芯片上混合集成的光电探测器，过去十多年内，研究人员将锗、Ⅲ-Ⅴ族半导体等块体材料集成于硅光子结构上实现光电转换。然而由于这些传统块体半导体材料的晶格常数和热膨胀系数与硅不匹配，使其直接生长于硅衬底上存在很大技术挑战性[12]，此外，晶体生长过程中引起的缺陷也会限制器件的光电性能[13]。另外，若将硅基光电芯片上光信号处理波段拓展到2μm及以上，上述块体材料的光电响应能力受限。

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，二维材料在面向硅基光电子芯片光电探测器的混合集成具有以下优点：（1）二维材料具有原子级平滑的无悬空键表面，无需考虑二维材料与硅衬底的晶格匹配问题[14]；（2）由于原子级厚度、机械强度高、柔韧性好等优点，二维材料适用于成熟的CMOS加工工艺，可以与硅光子结构实现大规模集成[15]；（3）石墨烯、黑磷、黑磷砷等二维材料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[16]；（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[17]；（5）二维材料与其他材料（共轭高分子[18]、量子点[19]等）相比具有较高的载流子迁移率[20]，有望实现高速的光电响应。因此，近年来将二维材料混合集成于硅光子结构实现高性能光电探测得到了广泛研究。

本文围绕可面向硅基光电子芯片混合集成的二维材料探测器展开讨论。首先，详细介绍常用于构建光电探测器的二维材料及其光电探测响应机制；其次，对近几年研究人员如何基于二维材料实现高性能硅光子集成光电探测器进行综述，总结器件结构和主要性能参数，并分析器件高性能机理；最后，对提升硅光子集成二维材料光电探测器性能所面临的挑战进行讨论，并展望了未来如何获得综合性能良好的集成二维材料探测器及其商业化应用可能。

2 二维材料的基本特性

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硅光子集成光电探测器的基础。本节简要介绍几种常用于构建光电探测器的二维材料，包括石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物、六方氮化硼及其异质结。

2.1 石墨烯

2004年，Novoselov等首先利用机械剥离法分离出高质量单层石墨烯（Graphene）[21]。与传统半导体材料相比，石墨烯表现出许多卓越的光电性能，如可调控的电子结构、强的光与物质相互作用、高的三阶光学非线性和优异的机械柔韧性。如图1（a）所示，单层石墨烯为碳原子按六边形排列的单原子平面结构。

由于其能带结构中导带和价带存在交汇点或Dirac点，单层石墨烯为零带隙的半金属[22]，具有从可见光到太赫兹的超宽谱响应范围[23]。由于其完美无缺陷的晶格结构，单层石墨烯在室温下有着高达2×105cm2/V·s的超高载流子迁移率[24]和5 300 W/m·K的超高导热率[25]，使得其具有飞秒级的超短弛豫时间[26]。因此，单层石墨烯是实现超快光电探测的理想材料。另外，尽管石墨烯的带隙为零，但由于其体表比较大，通过静电栅压调控可使其费米能级在1 eV上下移动[27]，可实现p型（空穴占主导）与n型（电子占主导）灵活可变的极性。单层石墨烯也可作为透明电极，其在垂直入射的可见光下的光吸收率仅有2.3%[28]。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[29]，使得其易与硅光子结构集成且器件加工与CMOS工艺兼容。

2.2 黑磷

随着学术界对二维材料的深入探索，Zhang等于2014年报道了一种新的二维材料—黑磷（Black Phosphorus,BP）[30]。与石墨烯不同，BP具有层数依赖的直接带隙，这让研究人员非常感兴趣。如图1（b）所示，BP晶体是一种正交型晶体层状结构，其磷原子排列在褶皱的晶格中。因此，BP的电导率和光导率具有很强的面内各向异性[31]。在单层BP中，每个磷原子由sp3杂化轨道与其他3个相邻磷原子键合[32]。由于在垂直方向上存在对BP薄膜的电子约束，BP的带隙大小随着层数的减少而呈线性增加——从0.3 eV带隙的块体过渡到2 eV带隙的单层[33]，使其具有从可见光至中波红外波段的光吸收[34]。另外，BP的带隙可进一步通过化学掺杂[35]或电场调控[36]来调整。BP还有以下优势：在室温下达到1 350 cm2/V·s的高载流子迁移率[37]以及皮秒级的弛豫时间[38]。具有这些优异特性的BP为开发通信波长至中红外波长范围的高性能光电器件提供了新的机会[39]。此外，BP固有的各向异性晶体结构导致其对入射光的吸收具有偏振依赖性[31]，可实现偏振敏感的光探测应用。值得指出的是，在外界环境中少层BP的稳定性较差，这是限制其广泛应用的主要因素。近年来，研究人员发现在BP器件制备和测试过程中，通过封装保护可在两周内保持BP薄层的稳定性[40]。目前成熟的半导体器件封装工艺可有效避免对BP有破坏作用的氧、水、光等因素，可保证BP器件未来走向应用。

2.3 过渡金属硫化物

过渡金属硫化物（Transition Metal Dichalcogenides,TMDCs）是二维材料家族中材料体系最丰富的一类。如图1（c）所示，TMDCs材料为三明治型晶格结构，通常具有MX2的化学式，其中M表示过渡族金属（钼、钨等），X表示硫族元素（硫、硒、碲等）[41]。TMDCs材料根据单层原子结构及堆垛方式不同，可以有2H、1T'等相，使其可以表现出半导体或半金属特性。与石墨烯的层间结构相似，TMDCs材料层与层之间以弱范德华力的形式堆叠，因此也可以使用机械剥离法来获得单层TMDCs材料。然而与石墨烯对垂直入射光的弱吸收不同的是，具有直接带隙的单层2H相TMDCs由于具有较大的激子束缚能，其与入射光间的相互作用强[42]，在近红外到紫外波段光吸收率可以达到10%[43]，这使得TMDCs材料可用于高灵敏的光电探测器。然而TMDCs具有较大的带隙，以二硫化钼（MoS2）[44]、二硫化钨（WS2）[45]、二硒 化 钼（MoSe2）[46]和 二 硒 化 钨（WSe2）[47]为例，它们的带隙在1.0~2.5 eV范围内[48]。对于1T'相TMDCs，其半金属特性更是可以支持宽带的光电探测，且具有类似石墨烯的超快光电响应[49-50]。另外，TMDCs的带隙也可通过多种手段进行调控并进一步拓展其光电响应波段，如材料厚度、元素掺杂、静电掺杂、异质结构建等。

2.4 六方氮化硼

六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride, hBN）具有和石墨烯相似的六方蜂窝状晶体结构，其中硼和氮原子交替分布，如图1（d）所示。hBN具有绝缘体的特性和6 eV左右的大带隙[51]，只在紫外区域（230 nm）具有半峰宽约为300~400 meV的光致荧光峰[52]，而在硅光子技术工作的通信波段（1.2μm到中红外）完全透明。虽然hBN直接作为光电探测器存在响应波段的限制，但是其具有高导热性、化学稳定性和无需担心晶格失配的优点，可在静电调控其他二维材料时作为绝缘体[53]并提供原子级平滑的洁净界面，对高性能光电器件的制备具有重要作用。

图1 硅光子集成二维材料光电探测器示意图(a) 石墨烯[21]；(b)黑磷[30]；(c)过渡金属硫化物[41]；(d)六方氮化硼的晶格结构[51]Fig.1 Schematic diagram of silicon photonic integrated two-dimensional material photodetectors.Crystal structures of(a)Graphene[21],(b)BP[30],(c)TMDCs[41]and (d)hBN[51]

2.5 二维材料异质结

由于表面无悬挂键的二维材料无需考虑晶格失配问题[54]，故可直接将不同二维材料垂直堆叠在一起，通过范德华力结合构建二维材料异质结[55]。特别是这些异质结构可以通过晶格排列、带隙工程以及不同层之间的耦合效应来进一步设计[56]，以提供单一类型二维材料中不具备的物理特性，从而可制备具有各种新颖光特性的器件。迄今为止，已经出现了大量二维材料异质结构，包括TMDCs/石墨烯、TMDCs/TMDCs、TMDCs/BP、BP/石墨烯，为光电探测器性能提升提供了新途径[57]。

2.6 其他二维材料

得益于纳米技术的飞速发展，其他具有独特物理特性的新兴二维材料如MXene、硒化铟、石墨炔和钙钛矿纳米片等也陆续被发现。下面依次对这几种二维材料进行简要介绍。MXene材料代表二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，通式为Mn+1XnTx，其中M表示过渡金属（钪Sc，钛Ti，等），X表示碳化物或氮化物，T对应于表面成分（羟基OH、氟F等），n= 1，2，3。丰富的材料成分和表面功能使得MXene具有出色的物理特性可调控性，包括低光损耗、可控的带隙和大导电率。例如，Ti3C2Tx量子点在460 nm的光致荧光峰处具有约为10%的量子产率，数十ns的荧光寿命和约为1%的较小吸收率[58]。硒化铟（Indium Selenide,InSe）是一种少层为直接带隙的Ⅲ-Ⅵ族层状材料，其带隙范围包括1.26 eV的块体到2.11 eV的单层[59]。特别地，少层InSe不仅具有极强的量子局域效应和室温下高于1 000 cm2/V·s的电子迁移率[60]，而且还表现出较大的光响应性（>1 A/W）和较快的响应时间（μm~ms）[61]，是一种优良的二维光电材料。石墨炔（Graphdiyne）是石墨烯的碳杂化同素异形体，根据晶格结构的不同，单层石墨炔有0.44~1.47 eV的窄带隙和相对短的光致荧光寿命（≈ 1.6 ns）[62]。钙钛矿纳米片是另一类重要的二维材料，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载流子迁移率[63–65]。这些新兴的二维材料借助自有的独特光学和电子特性也可为硅基光子集成光电探测器提供优异材料体系。

3 二维材料光电探测器的光电转换机制

目前已报道的二维材料光电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。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。根据光电转换机制，二维材料光电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。以下详细介绍这些光电转换机制。

3.1 光电导效应(Photoconductive Effect，PCE)

光电导效应为材料吸收光子产生额外的自由载流子由此导致材料本身电导率增加的过程。如图2（a）所示，典型的二维材料光电导型探测器由作为导电沟道的二维材料和沟道两端形成欧姆接触的源/漏电极组成。

在源/漏电极之间施加驱动偏压（Vds），无光照时，器件中仅有很小的沟道电流流动（暗电流Id）。在光照下，能量大于半导体带隙的光子被二维材料吸收，导致材料中产生光生电子-空穴对。然后，光生电子-空穴对被Vds分开，分离的自由电子和空穴分别向着源极和漏极漂移。该过程导致沟道电流的净增加，即产生光电流Iph。值得注意的是，通常发生在二维材料表面和界面处的光生载流子再复合会导致光电流减小。通常大的驱动偏压Vds有助于光生电子-空穴对的分离和提高光生载流子的传输效率。光生载流子的寿命对光电导型探测器的增益（G）和响应速度有重要影响。光电导型探测器的增益可能大于1。在适当驱动偏压Vds下，多数载流子（假定为电子）具有比少数载流子（空穴）高的迁移率，光激发的电子在沟道上的漂移速率比光激发的空穴的漂移速率更大，因此电子的传输时间比空穴短得多。为了保持器件的电中性，在空穴的寿命期间，从另一个电极提供更多的电子并在通道中多次循环。增益G的大小取决于空穴寿命（τlifetime）与电子渡越时间（τtransit）的比率，即G=τlifetime/τtransit。为了获得高增益，应该缩短电子传输时间和尽量延长空穴的寿命。然而，与载流子复合过程有关的响应时间也由空穴寿命决定，这意味着高增益会降低探测器的响应速度。因此，必须在增益和响应速度之间进行权衡，以获得整体性能理想的二维材料光电导型探测器。

3.2 光栅效应(Photogating Effect，PGE)

光栅效应可以视为光电导效应的特例。如图2（b）所示，在光照下，二维材料中会生成电子-空穴对，然后载流子（电子或空穴）中会被存在于二维材料的表面或缺陷处的一些局域态捕获[66]。另一种情况是光生电子-空穴对在二维材料表面的吸附物或电荷陷阱中产生[67]，其中一种类型的载流子被转移到沟道中，另一种带相反电荷的载流子被吸附而截留在材料表面。由于静电感应的存在，这些被俘获的载流子可有效地调节材料中的感生电荷而起到局部栅极调控的作用。沟道中的载流子可以在被俘获的另一种载流子的寿命期间多次循环，从而产生高增益。光栅效应在具有大表面积/体积比的二维材料中尤其明显[68]。尽管具有光栅效应的光电探测器可以比光电导型具有更高的增益，但它们通常会遇到器件响应速度较慢的问题（ms甚至s量级）。因此对于硅基集成二维光电探测器，应尽可能避免PGE效应，即减少器件中的缺陷和电荷陷阱等局域态的产生。

3.3 光伏效应(Photovoltaic Effect，PVE)

光伏效应是通过器件本身的内建电场分离光生电子-空穴对，并将电子和空穴朝相反方向驱动并形成光电流效应[69]，如图2（c）所示。内建电场通常在两种存在显著功函数差异的材料结处（半导体耗尽区）产生。利用光伏效应响应的光电探测器称为光电二极管。光电二极管可以是由两种具有相反掺杂类型半导体形成的p-n结光电二极管，也可以是在半导体和金属接触界面处形成的肖特基结光电二极管。p-i-n结光电二极管是p-n结光电二极管的一个特例，其中“i”代表插入p-n结之间的本征半导体层。光电二极管在黑暗中通常显示不对称的电流-电压特性（整流行为），而该器件在光照下可以两种模式工作，即光伏模式（零偏置）和光导模式（反向偏置）。在光伏模式下，光生电子-空穴对被内建电场分开，分离的电子和空穴被电极收集而产生光电流（短路电流，ISC），输出电信号也可以是光电压（开路电压，VOC），其可在保持电路开路下获得。在此模式下工作的光电二极管具有最低的暗电流，并具有最大的线性度和灵敏度，从而提高了探测能力。在光导模式下，施加偏置电压的外部电场与内建电场的方向相同，从而提高了电子-空穴对的分离效率，并由于减少了载流子传输时间和降低了二极管电容而提高了响应速度。在实际应用中，光伏模式下的光电二极管非常适合高灵敏应用，而光电导模式下的光电二极管更适合于高速应用。虽然光电二极管实现的最大单位增益远小于通过光电导效应或光栅效应工作的光电探测器，但是足够大的反向偏置可导致光电二极管雪崩倍增或击穿（雪崩光电二极管，APD），其中具有足够能量的光生电子会引发碰撞电离，从而提供较大的内部电流增益。

3.4 光热电效应(Photo-thermoelectric Effect，PTE)

光热电效应也称为Seebeck效应，如图2（d）所示。光照下，被材料吸收的光子能量转换成热能。由于掺杂、厚度变化等原因，二维材料的不同区域可以存在不同的Seebeck系数，从而导致材料不同区域之间存在温度差（ΔT）。载流子会在温度梯度作用下定向移动从而产生电压差，即光热电压（VPTE）。光热电压VPTE可表示为[70]

图2 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Fig.2 Photoelectric conversion mechanism.(a)Photoconductive effect;(b)photogating effect;(c)photovoltaic effect;(d)photo-thermoelectric effect and(e)photo-bolometric Effect

其中S1，S2是不同区域的Seebeck系数。光热电压可以使器件在零偏压的情况下在沟道中产生电流。石墨烯、BP等二维材料上均实现了基于光热电效应的探测器，且均表现出超高速响应和高内部量子效率[70-71]。

3.5 光辐射热效应(Photo-Bolometric Effect,PBE)

光辐射热效应是指材料在光照下被均匀加热，引起材料的电阻变化[72]，如图2（e）所示。二维材料光辐射热探测器的灵敏度由热阻Rh=dT/dP决定，其中T为材料温度，P为入射光单位面积光强。光辐射热效应可以发生在亚毫米波甚至毫米波作用下，因此光辐射热探测器可满足中红外及远红外波段的光探测。已有研究报道了石墨烯光电探测器[73]和厚度约为100 nm的多层BP光电探测器[74]中的光辐射热效应，由于两种材料中的载流子与声子的耦合较弱，载流子很容易被加热。

4 基于二维材料的硅光子集成光电探测器研究进展

二维材料丰富且优异的物理特性使其在光电探测领域具有独特优势，其原子级厚度及无悬挂键的表面，有利于与硅光子结构集成。本节将介绍一些基于石墨烯、TMDCs和BP的硅光子集成二维材料光电探测器。

4.1 基于石墨烯的硅光子集成光电探测器

石墨烯的零带隙使其在深紫外至太赫兹波段内具有光吸收能力[11]。这种波段极宽的光学响应范围是任何其他已知材料都无法比拟的。尤其是对于用于光通信的硅基光电子芯片，在与石墨烯集成后，可实现在宽波长范围内的波分复用和探测。另外，石墨烯具有的超高载流子迁移率，可实现硅基光电子芯片上的超高速光探测。Xia等展示了第一个垂直光入射的石墨烯光电探测器。该器件在1 550 nm通信波长下具有高达40 GHz的工作带宽，其本征工作带宽更是有望超过500 GHz[75]，这充分说明了石墨烯在超高速光探测领域应用的优势。由于石墨烯在垂直入射光下的光吸收率仅约为2.3%，该石墨烯探测器仅有0.5 mA/W的光响应率，而硅光子技术可以弥补石墨烯探测器响应率低的缺点。通过将石墨烯与硅光子波导相集成，通过波导倏逝场与石墨烯的相互作用，可以极大增加石墨烯与光场的相互作用距离，从而提高石墨烯上的光吸收。Gan等展示了金属接触电极相对波导位置非对称的石墨烯波导集成光电探测器[76]，如图3（a）（彩图见期刊电子版）所示，其响应率有着显著提高。该器件通过湿法转移技术将机械剥离的双层石墨烯精确转移至硅波导结构上[51]。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1 450~1 590 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，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[77-78]。这些研究结果充分展示了石墨烯在硅光子集成光电探测领域的应用潜力[79-84]。

图3 基于石墨烯的硅光子集成光电探测器。(a)金属电极非对称的硅波导集成石墨烯光电探测器[76]；(b)硅波导集成的高响应率hBN/石墨烯/hBN结构光电探测器[79]；(c)硅纳米槽波导集成的石墨烯p-n结探测器[80]；(d)覆盖所有光通信波段且CMOS兼容的波导集成石墨烯光电探测器[78]；(e)蝴蝶结状等离子金属纳米结构增强的波导集成石墨烯光电探测器[83]；(f)用于1.55和2μm光探测的金属等离子体增强石墨烯硅波导集成光电探测器[84]Fig.3 Graphene-based silicon photonic integrated photodetectors.(a)A waveguide-integrated graphene photodetector with asymmetric metal electrodes[76].(b)High-responsivity hBN/graphene/hBN photodetector on a buried silicon waveguide[79].(c)A graphene photodetector integrated on a silicon slot-waveguide with a p-n junction[80].(d)CMOScompatible graphene photodetector covering all optical communication bands[78].(e)Plasmonically-enhanced waveguide-integrated graphene photodetector.The optical field is enhanced at the edges and in the gap of the bowtie-shaped structures[83].(f) A silicon-graphene hybrid plasmonic waveguide photodetector for 1.55 and 2μm detection[84]

然而，相比与如今商业化的InGaAs红外探测器1.2 A/W的光响应率，上述石墨烯探测器的响应率还比较低。为了进一步提升硅光子集成石墨烯探测器的响应率，研究人员又进行了系列研究，具体可分为两个思路。一种是提高光电转换效率，例如增加外加电压或调控石墨烯光吸收区的掺杂。然而，增加外加电压会导致器件的功耗和暗电流相应增加，因此该思路并不是一个好的选择。另一种是通过延长吸收区的长度或增强石墨烯与波导模式的相互作用来增强石墨烯的光吸收。但是，当吸收区长度延长，器件的面积和电容也会相应增加，这会降低器件的响应速度，不利于其在高速通信的应用。因此，近年来人们越来越关注通过调节石墨烯光响应区的掺杂和增强石墨烯与光的相互作用来提高硅光子集成石墨烯探测器的响应率。

对于改变石墨烯光响应区的掺杂水平，可以通过栅极电压静电掺杂对石墨烯中载流子浓度进行调控。Shiue等人提出了一种hBN/石墨烯/hBN异质结构与硅波导集成的高响应率光电探测器[79]，如图3（b）所示。该器件将多层hBN、单层石墨烯和多层hBN依次转移堆叠至硅波导上，通过引入额外的栅极电压调节石墨烯光响应区的费米能级。该器件的光电流主要由PTE效应产生，其光响应率与Seebeck系数和温度梯度紧密相关。由于Seebeck系数极大依赖于载流子密度和石墨烯的化学势，因此可通过选择适当的漏源电压和栅极电压来优化Seebeck系数以提高器件的响应率。由于石墨烯被封装在hBN中，且利用石墨烯/hBN的一维边缘接触，器件具有约77Ω的超低电阻和8×104cm2/V·s的超高迁移率。因此，该器件在1.2 V偏压下工作时具有0.36 A/W的较大响应率和42 GHz的3 dB带宽。为了更精确地控制石墨烯的掺杂水平，Schuler等人提出了一种基于硅纳米槽波导结构的石墨烯集成探测器[80]。该器件可通过两个分离的双栅结构对石墨烯进行静电掺杂，实现器件在光吸收区域p-n结的构建，如图3（c）所示。该器件通过将机械剥离法制备的单层石墨烯转移至硅纳米槽波导结构上，在这种器件结构中，波导的模态场在纳米槽中被极大地束缚和增强，并且石墨烯的掺杂可通过使用双栅极电压来控制，以形成理想的Seebeck系数空间分布。在这种情况下，器件零偏压下可观察到一个很强的PTE效应，其响应率为36 mA/W，并且在0.3 V偏压下得到76 mA/W的响应率和高达65 GHz的3 dB带宽。在此基础上，为进一步提升器件的响应率，Schuler等通过使用光子晶体波导双栅结构控制整个石墨烯器件通道中的Seebeck系数[81]。该器件将由PTE效应产生的响应率进一步提高到48 mA/W，并且器件在0.4 V偏压下具有170 mA/W的响应率和18 GHz的3 dB带宽。

对于增强石墨烯与光的相互作用，通过具有非常强局部化场的金属等离子体结构增强石墨烯的光吸收是一种比较好的方法。Pospischil等报道了一种金属等离子体增强的石墨烯-硅波导集成光电探测器[78]，其在波导的中心放置了一个金属电极天线，如图3（d）所示。器件通过简单的三步工艺制造：硅波导的蚀刻和钝化，石墨烯的沉积和图案化，金属电极的制备。该器件利用金属电极天线结构增强了石墨烯的光吸收，并且光生载流子可以被金属-石墨烯界面的内建电场有效地分离。测试结果表明，基于该结构的单层石墨烯器件响应率约为30 mA/W，而双层石墨烯的响应率可提高到50 mA/W。该结构器件具有18 GHz的3 dB带宽并且能够实现全光通信频段的超宽带响应，远远超出了已报道的应变锗光电探测器的响应波长范围[82]。Ma等展示了另一种金属等离子体增强的石墨烯-硅波导集成光电探测器[83]，其在6μm长的石墨烯吸收区上设计了蝴蝶结状对称型金属等离子体结构，如图3（e）所示。将化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）生长的石墨烯层转移至平面化硅波导结构的硅光子晶片上并图案化，具有nm级间隙的蝶形金属结构被放置在石墨烯的顶部，并与下方的Si波导对称排列。该探测器在PBE效应下工作，输出光电流相对于偏压方向为负值，在0.4 V偏压下具有500 mA/W的响应率，并且该探测器具有超过110 GHz的3 dB带宽，可以接收100 Gbit/s的二进制启闭键控（OOK）和四脉冲幅度调制（PAM4）数据信号。尽管光与石墨烯的相互作用通过金属等离子体结构大大增强，但在这些结构中存在着大量不必要的金属吸收损耗，大大限制了器件的响应率。为减少金属等离子体对波导传输光信号的吸收损耗，Dai等展示了一种低损耗的等离子体增强石墨烯-硅波导集成光电探测器[84]。该器件结构在硅波导脊的顶部放置一条约200 nm的窄金属条以实现金属等离子体场增强，如图3（f）所示。CVD生长的单层石墨烯被转移到硅波导基片上，并通过EBL和ICP蚀刻工艺进行图案化。由于硅波导脊非常宽和超薄，使得增强石墨烯吸收的同时，降低金属的吸收损耗，并且通过施加栅极电压优化石墨烯光吸收区中的掺杂水平，该器件中石墨烯的吸收系数达到了0.23 dB/μm。通过这种优化的结构设计，该硅光子集成石墨烯探测器在0.3 V工作偏压下，1 550 nm波段处具有大于40 GHz的3 dB带宽和400 mA/W的较高响应率，且在2 μm波段处具有大于20 GHz的3 dB带宽和70 mA/W的响应率。以上诸多研究结果表明，石墨烯与硅光子集成可实现超高速、较高响应率的光电探测应用。然而由于石墨烯本身的零带隙特性，光电探测器通常由于暗电流过高而不具有大的信噪比，不适用于对微弱光信号的探测。Wang等首先提出了一种基于石墨烯/硅异质结的硅波导集成光电探测器[77]，其中面内耦合的波导结构增强了机械剥离制备的单层石墨烯与光的相互作用，而石墨烯/硅异质结可以有效抑制器件的暗电流并增大对中波红外的吸光率。该器件在通过施加1.5 V的偏压，室温下在2.75μm中红外波长处获得了130 mA/W的较高响应率和104量级的光/暗电流比。但是由于异质结本身电容与阻抗对器件响应速度的影响，该器件的工作带宽只有2 MHz。因此还需要对其他二维材料在硅光子集成光电探测领域的应用可能进行探索。

4.2 基于黑磷的硅光子集成光电探测器

与石墨烯不同，黑磷（BP）的直接带隙随层数在0.3~2 eV之间变化，覆盖了可见至中红外光谱范围。Buscema等展示了第一个基于BP的宽波长范围响应光电探测器，其主要结构由基于3~8 nm的薄层BP的场效应晶体管组成[85]。由于入射光垂直入射，该BP器件仅有4.8 mA/W的响应率，器件光响应上升（下降）时间约为1 ms（4 ms）。Li课题组报道了第一个基于机械剥离多层BP的硅波导集成光电探测器[86]，如图4(a)(彩图见期刊电子版)所示。该器件通过在多层BP上沉积氧化铝并将一层石墨烯作为栅电极，可以在不同栅极电压的静电掺杂下测量光响应，并观察到不同掺杂水平下两种不同器件的光电流产生机制。在较高掺杂水平下，较慢的光辐射热效应主导器件光电流产生，由于热扩散速度的限制，器件的3 dB带宽仅为200 kHz。在低掺杂水平下光电流主导机制为光伏效应，器件的3 dB带宽超过3 GHz。同时，由于掺杂水平较低使得暗电流大大降低。该器件在室温下表现出对通信波段光出色的光响应，对于11.5 nm和100 nm的BP，器件的光响应率分别为135 mA/W和657 mA/W。为进一步提高BP探测器的响应率，该课题组还提出了一种硅光子与等离子体金属光栅结构混合集成的BP光电探测器[87]，如图4(b)(彩图见期刊电子版)所示。该器件由构建在标准绝缘体硅（SOI）平台的3层结构组成：底层为具有低传输损耗的硅光子波导层；中间层是包含金属光栅和纳米间隙的等离子结构层；顶层为与金属光栅直接接触的BP薄片和氧化铝介电层及顶部栅电极。在等离子结构下方的波导上也刻有光栅，其可通过间隔层将光发射出平面，将波导中的光耦合到金属光栅的纳米间隙中。金属光栅将耦合的光转换为表面等离子激元波，并将其聚焦到金属光栅的纳米间隙中，从而显著增强BP薄片的光吸收。由于高光电导增益，该器件在1 550 nm通信波段具有高达1×104mA/W的响应率，同时该结果也说明了利用等离子体结构增强硅光子集成BP探测器性能的可行性和应用前景。

得益于硅光子波导本身支持通信波段后的波长光传输以及BP对直至中红外波段的光响应，基于BP的硅光子集成探测器可极大地拓宽硅光子器件的波长应用范围。Dai等展示了一种工作在2 μm波长的硅光子集成BP探测器[88]，如图4(c)(彩图见期刊电子版)所示。该器件使用SOI上脊型波导结构且选择40 nm中等厚度的BP薄片以获得高的光吸收和低的模式失配损耗。BP薄膜能够很好地覆盖SOI脊型波导的顶面和侧壁，从而增强了对脊型波导中横电模基模（TE0）的光吸收。在0.4 V的低偏置电压下，该器件的响应率高达306.7 mA/W，3 dB带宽高达1.33 GHz。超过3μm的中红外区域是覆盖大气窗口以及分子指纹区域的重要电磁频谱范围。Huang等展示了可用于中红外光探测的波导集成BP探测器，其工作波段为3.68~4.03μm[89]，如图4(d)(彩图见期刊电子版)所示。与其他BP与硅光子波导集成的探测器结构不同，该器件中BP薄片集成于光栅耦合器上，光从光纤耦合到输入光栅耦合器，通过波导传输，并通过输出光栅耦合器耦合到BP光电探测器中。硅波导和光栅耦合器确保了纵向光传播和面外耦合，从而增强了光与BP之间的相互作用。当BP的晶格取向、两电极间的载流子传输方向和波导中传播模式的偏振同时对准时，器件可获得最佳的响应率。在1 V的偏置电压下，该器件在室温环境中具有在3.68μm处23 mA/W和在4μm处2 mA/W的光响应性以及小于1 nW/Hz1/2的噪声等效功率。

图4 基于BP的硅光子集成光电探测器。(a)具有高响应率和低暗电流的BP光电探测器[86]；(b)硅波导与等离子体金属光栅结构三维集成的BP光电探测器[87]；(c)工作在2μm波长的高速高响应率硅波导集成BP光电探测器[88]；(d)可用于中红外光探测的硅波导集成BP探测器[89]Fig.4 BP-based silicon photonic integrated photodetectors.(a)Waveguide-integrated BP photodetector with high responsivity and a low dark current[86];(b)three-dimensional integration of a BP photodetector with silicon waveguide and nanoplasmonics grating[87];(c)high-speed and high-responsivity hybrid silicon/BP waveguide photodetectors at 2μm[88];(d)waveguide-integrated BP photodetector for mid-infrared applications[89]

4.3 基于TMDCs及其异质结结构的硅光子集成光电探测器

TMDCs材料具有强的光与物质相互作用，可极大地提高光电探测器件的性能。然而，由于TMDCs的直接带隙（单层）主要位于可见光范围（1.65~2.2 eV），大多数报道的TMDCs光电器件都集中在这部分光谱范围内[90]。MoTe2是一种带隙可延伸到近红外光谱的TMDCs材料，其可响应通信O波段（1 260~1 360 nm）内的光子[91]，是首先应用于硅光子集成光电探测器的TMDCs材料。Bie等将机械剥离的双层MoTe2集成到光子晶体波导上[92]，如图5（a）（彩图见期刊电子版）所示。该器件使用hBN作为顶栅介电材料，并通过两个分立的石墨烯作为两个顶栅电极，实现了器件光吸收区域p-n结的可控调控。该器件在施加反向偏压的光探测模式下，在1 160 nm工作波段下实现了4.8 mA/W的响应率，并从器件内建电场和载流子漂移速度方面推断该p-n结MoTe2硅光子集成探测器可以达到GHz的工作带宽。为了进一步提升MoTe2硅光子集成探测器的性能，Ma等提出了一种新型的MoTe2硅波导集成探测器[93]，该器件工作在O波段光谱区内，如图5（b）（彩图见期刊电子版）所示。值得注意的是，机械剥离的MoTe2两端分别接触石墨烯和金电极，这种基于非对称功函数接触电极的器件结构无需外部栅压调控即可形成内建电场分离光生载流子。通过对所使用MoTe2的厚度进行优化，该结构器件得到了23 mA/W的光响应率，相对较低的暗电流和1 GHz带宽的超快光响应，其可以在大的波长动态范围内提供高灵敏的光探测。为了突破TMDCs材料固有的低载流子迁移率在高速探测应用上的瓶颈，Flöry等人展示了一种基于垂直MoTe2/石墨烯异质结构的硅光子集成光电探测器[94]，如图5（c）（彩图见期刊电子版）所示。该器件的垂直结构设计将TMDC中的载流子传输路径长度最小化，并在3 V的偏压下实现了至少24 GHz的高测量带宽。通过使用更高的偏压或更薄的MoTe2薄膜，该光电探测器的带宽可以进一步提高到50 GHz。同时，该器件对于1 300 nm入射光的响应率达到200 mA/W。该研究结果表明TMDCs材料可通过优化器件结构实现高速的硅光子集成光电探测应用。

图5 基于TMDCs及其异质结构的硅光子集成光电探测器。(a)硅光子集成的MoTe2 p-n结光电探测器[92]；(b)基于非对称功函数接触电极的硅波导集成MoTe2探测器[93]；(c)基于MoTe2/石墨烯范德华垂直异质结的高速高响应硅波导集成光电探测器[94]；(d)基于应变调控的硅波导集成MoTe2光电探测器，可用于1 550 nm光探测[95]；(e)基于范德华异质结的氮化硅波导集成隧穿光电二极管，其在1 550 nm波长处具有高速高响应[96]Fig.5 Silicon photonic integrated photodetectors based on TMDCs and their heterostructures.(a)A MoTe2-based photodetector for silicon photonic integrated circuits[92];(b)silicon waveguide integrated MoTe2 photodetector based on asymmetric work function contact electrodes[93];(c)waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector with high speed and high responsivity[94];(d)strain-engineered silicon photonic integrated MoTe2 photodetector for 1 550 nm light detection[95];(e)high-speed van der Waals heterostructure tunneling photodiodes integrated on silicon nitride waveguides for 1 550 nm light detection[96]

由于低传输损耗和掺铒光纤放大器的增益光谱重叠，1 550 nm是硅基光电子芯片用于光数据传输和处理的首选。为了解决TMDCs材料因为本征带隙限制无法直接用于1 550 nm光探测的问题，研究人员在材料调控、器件运行机制等方面进行了一系列创新性研究。Sorger等提出了将应变调控应用于硅光子集成MoTe2探测器中使之能够对1 550 nm光进行响应[95]，如图5（d）所示。该器件在非平面的硅基微环谐振器上集成了一个多层MoTe2晶体薄片。硅结构本身高度使得机械剥离的MoTe2在结构边缘处受到与横向位置相关的应变调控，因而在MoTe2内形成了吸收1 550 nm光的渐变带隙。由于MoTe2应变区域与微环谐振器的倏逝场重叠，该器件在2 V的偏压下对1 550 nm光具有500 mA/W的较高响应率。并且该器件只有13 nA的低暗电流，其NEP为90 pA/Hz1/2，工作带宽为35 MHz。这种应变调控探测器为TMDCs材料在硅光子集成光电探测应用提供了新的思路。另外，Shu等展示了集成在氮化硅波导上的范德华异质结构隧道光电二极管[96]，如图5（e）所示。该异质结结构由机械剥离的单层MoS2、单层石墨烯、多层hBN、单层石墨烯依次自下而上堆叠在波导顶部形成。MoS2作为底层石墨烯与氮化硅界面的钝化层并对底层石墨烯进行n型掺杂，多层hBN作为顶层和底层石墨烯之间的隧穿势垒，hBN上的顶层石墨烯被空气和金属接触p型掺杂，因而在波导顶部形成垂直方向的p-i-n型隧穿光电二极管。强的内建电场将底层石墨烯中的光生电子-空穴对分离，光生空穴隧穿过hBN被顶层石墨烯收集产生光电流。该器件在1 550 nm波长处具有240 mA/W的高响应率、28 GHz的大带宽和大于104的光/暗电流比。这项工作为实现高带宽和高灵敏度的集成光电探测器提供了一条可行的途径。

5 结论与展望

二维材料由于其丰富的种类和多样的物理特性，为实现混合集成于硅基光电子芯片上的高性能光电探测器提供了可能的新途径。本文回顾了近年来基于石墨烯、BP和TMDCs及其异质结的硅光子集成光电探测器研究进展。不仅基于石墨烯的硅光子集成光电探测器具有宽工作波长范围和超快响应速度，而且基于其他二维材料如BP、TMDCs和异质结的硅光子集成光电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。然而，值得注意的是，虽然基于二维材料的硅光子集成光电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：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；大的器件接触阻抗限制了BP和TMDCs探测器的响应速度；以及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。目前大多数与硅光子结构集成的二维材料光电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、MoS2、hBN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TMDCs垂直堆叠在一起形成范德华异质结[94]。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，影响着硅光子集成探测器的性能。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，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、石墨炔和钙钛矿纳米片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光子集成光电探测领域得到应用。

目前面向硅基光电子混合集成的二维材料探测器处于实验室研究的初期，相比传统三维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，因此硅基光电子集成的二维材料探测器的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。这需要前沿科研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基光电子集成器件面临的关键问题，最终达到大规模市场应用的目标。