二维材料基光电探测器在片上集成应用的研究进展

作者及机构
本综述由Yu Wang（华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室）、Luyao Mei（松山湖材料实验室/中山大学微电子科学与技术学院）、Yun Li、Xue Xia、Nan Cui（松山湖材料实验室）、Gen Long（苏州实验室）、Enzhi Yu、Weiqiang Chen（华南师范大学）、Haoran Mu、Shenghuang Lin（松山湖材料实验室）等学者合作完成，发表于2024年6月的《Physics Reports》期刊（卷1081，页码1-46）。

研究背景与目标
随着通信技术对数据容量、传输速度和抗干扰能力要求的提升，传统硅基光子技术因硅材料的物理限制（如间接带隙、缺乏线性电光效应等）难以实现高性能有源器件。二维材料（如石墨烯、黑磷、过渡金属二硫属化物TMDCs）因其原子级厚度、高载流子迁移率、可调带隙等特性，为片上光电探测提供了新思路。本文系统综述了二维材料的电子/光学特性、晶圆级生长技术、光电探测器工作机制及其在集成电路（EIC）和光子集成电路（PIC）中的集成应用，旨在推动高性能、宽光谱、小型化光电探测器的发展。

主要内容与观点

1. 二维材料的电子与光学特性

   • 元素二维材料：
     
     • 石墨烯（Graphene）：零带隙半导体，狄拉克点附近载流子呈线性色散关系，室温迁移率高达200,000 cm² V⁻¹ s⁻¹，光吸收率约2.3%（紫外至远红外波段）。其表面等离子体激元可增强光-物质相互作用，但低光吸收率限制了探测器响应度。
       
     • 黑磷（Black Phosphorus, BP）：直接带隙半导体（体材料0.35 eV，单层1.8 eV），具有面内各向异性（电导率与光吸收率随晶体取向变化），适用于偏振敏感探测。
       
     • 碲烯（Tellurene）和硒烯（Selenene）：螺旋链结构赋予其各向异性，碲烯在1.25~3.0 µm波段吸收各向异性比达8.0，适合中红外（MIR）偏振探测。
       
   • 化合物二维材料：
     
     • TMDCs（如MoS₂、WS₂）：单层为直接带隙（MoS₂ 1.8 eV），激子结合能强，光吸收率可达10%。通过堆垛（如1T′相）可实现超快响应和宽带探测。
       
     • X族TMDCs（如PtS₂、PtSe₂）：带隙可调（0.25~1.6 eV），探测波段覆盖200 nm~10.6 µm，兼具高迁移率与环境稳定性。
       

2. 晶圆级生长技术

   • 石墨烯：化学气相沉积（CVD）技术已实现12英寸单晶薄膜（2018年）和米级多晶薄膜（2018年）的制备，晶圆级转移技术成熟。
     
   • TMDCs：4英寸多晶MoS₂薄膜（2020年）和12英寸工业级薄膜（2023年）已实现，单晶生长仍限于2英寸以下。
     
   • 其他材料：六方氮化硼（hBN）和2H-MoTe₂的单晶薄膜生长技术为探测器性能优化提供了介电环境与异质结基础。
     

3. 光电探测器工作机制与性能参数

   • 关键参数：暗电流（Dark Current）、噪声等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）、比探测率（Specific Detectivity, D*）、量子效率（Quantum Efficiency）、响应度（Responsivity）和响应速度（Response Speed）。
     
   • 工作机制：
     
     • 光电导效应（Photoconductive Effect, PCE）：光生载流子增加材料电导率，适用于高增益探测（如石墨烯量子点混合结构响应度达10⁷ A W⁻¹）。
       
     • 光伏效应（Photovoltaic Effect, PVE）：基于PN结或肖特基结的内建电场分离载流子，实现零偏压工作（如BP/MoTe₂/石墨烯异质结）。
       
     • 光门效应（Photogating Effect, PGE）：陷阱态捕获载流子形成局部门电压，可获超高增益（EQE>100%）。
       

4. 片上集成应用

   • 与电子集成电路（EIC）集成：
     
     • 成像：石墨烯阵列（388×288像素）实现可见/短波红外成像，像素均匀性达99.8%。
       
     • 传感器内存（In-Sensor Memory）：BP基器件通过铁电畴调控实现偏振比288的偏振敏感探测。
       
   • 与光子集成电路（PIC）集成：
     
     • 光信息接收：硅波导集成石墨烯探测器（53 µm耦合长度）在20 Gbps下眼图清晰，插入损耗低于1 dB。
       

研究意义与价值
本综述的价值体现在：
1. 科学价值：系统梳理了二维材料在光电探测领域的多机制协同效应（如PTE与PVE耦合提升偏振灵敏度），为新型器件设计提供理论框架。
2. 技术突破：晶圆级生长技术（如12英寸TMDCs）推动了二维材料从实验室向产业化的跨越，CMOS兼容工艺加速了片上集成进程。
3. 应用前景：宽带（紫外-太赫兹）、高速（>50 GHz）、高灵敏度（NEP达82 pW Hz⁻¹/²）探测器在光谱成像、光通信、生物传感等领域具有变革潜力。

亮点与创新
- 材料多样性：涵盖元素与化合物二维材料，对比其带隙、各向异性等特性与探测波段的关系（图3）。
- 机制创新：提出“光热-光伏协同调控”策略（如BP双栅极器件通过Stark效应将响应波段扩展至7.7 µm）。
- 集成技术：首创环形电极设计（图14a）消除边缘效应对偏振探测的影响，为各向异性材料器件化提供普适方案。

未来方向
作者指出需进一步探索二维材料的缺陷工程（如调控MoS₂缺陷实现MIR响应）、异质结能带工程（如Type-III能对齐构超快探测器），以及晶圆级单晶生长技术的标准化。