长春光机所黎大兵：用于光电集成的二维材料的研究前景

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长春光机所黎大兵研究员等人发表题为“Perspectives of 2D Materials for Optoelectronic Integration”的文章，介绍了在光电器件中使用二维材料和集成的技术现状。通过讨论二维材料及其光电器件的最新进展、未来的发展趋势和现有的挑战，为光电子集成的二维材料提供了一个视角，并可能指导这一领域的发展。

原文链接https://doi.org/10.1002/adfm.202110119

前言导读

二维材料具有广泛的物理性质，其电子带隙从零到多个电子伏特不等，为探索新型电子和光电功能提供了新的机遇。值得注意的是，由于超薄、强的光-物质相互作用，以及与硅光子技术的兼容性，原子级厚度的二维材料非常适合集成在光电电路中。更重要的是，基于二维材料的光电器件在室温下的性能与基于传统大块半导体的器件相当。

目前，基于二维材料的集成光源、调制器、光电探测器、场效应晶体管和逻辑电路都已实现。将二维材料引入集成光电子器件不仅是突破现有硅半导体技术局限性的潜在途径，而且有助于实现在未来开发新的应用。

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图1基于二维材料的光源

在光电电路中，光源为光子器件的处理提供了能量和信息。因此，光源是集成光电子学的重要组成部分之一。然而，在硅基集成光电子学中，很难实现芯片上的光源。光源的常用方法是使用一种或几个基于III-V材料的片外或晶圆键合激光器，这仅限于实现片上集成。然而，芯片上光源的高密度集成在能源效率和可扩展性方面大大超过了芯片外光源。由于制备成本低，且易于与硅集成，二维材料在片上光源方面得到应用。此外，二维材料带隙的可调性意味着基于二维材料的器件可以覆盖一个可调谐的光谱范围。

图2基于石墨烯的光调制器

光调制是集成光互连的主要必要功能之一。光调制器是一种可以改变光的一个或几个属性的设备，如其强度、振幅、频率、相位或偏振。具有调制速度快、高调制深度、宽带宽、低插入损耗、占用空间小、低功耗的光调制器是在未来的集成光电系统中的首选使用。

在过去的几十年里，基于Si、GeSi和III-IV半导体化合物的半导体光调制器得到了深入的研究。然而，它们的占用空间大，与CMOS（互补的金属氧化物半导体晶体管）技术不兼容。相比之下，石墨烯由于其可调的吸收特性和外部扰动的折射率、兼容CMOS技术等优点，具有用于光调制器的巨大潜力。

图三 基于二维材料的代表性光电探测器

光电探测器可以将入射光转换为可测量的光电流或光电电压，以便进一步处理。基于IV和III-V半导体 (如Si、Ge、GaAs、GaN、InGaAs)的商业化光电探测器对能量低于材料带隙的光子不能产生响应。相比之下，石墨烯光电探测器在光谱带宽方面具有优势。它的线性和无间隙带结构确保了其光吸收系数从可见波段到MIR（中红外）波段基本上是恒定的。因此，石墨烯光电探测器可以通过宽电磁光谱将光转换为电信号。

图四 基于二维材料的场效应晶体管性能表征

电子电路是光电集成中不可缺少的组成部分之一。场效应晶体管（FET）是电子电路的基本单元，具有开关、放大器等功能。FET的发展在一定程度上促进了集成光电电路的发展。二维半导体是FET应用的理想候选者，预计它具有多个优点，包括原子级的可切换电导、高载流子迁移率、无表面悬空键以及与当前CMOS技术的兼容性。特别指出的是，它们的二维特性作为最显著的优势，使有源通道的整个厚度接近栅电极，从而增强该通道的栅极控制，并减少短通道效应。

图五 基于二维材料的非线性光子学研究

非线性光学是研究非线性介质中光行为的光学领域的一个分支，在光电应用中起着越来越重要的作用。根据非线性光学的基本原理，在一定的高光场下，材料的响应可能停止线性变化，并可能发生非线性光学效应。与传统的块状III-IV材料相比，二维材料具有相当的非线性磁化率、超快响应、宽带和可调光吸收，并且可以通过vdW力集成到任意衬底上，避免晶格匹配问题。因此，易于与其他材料进行集成和杂交，使二维材料成为集成非线性器件的潜在非线性光学平台。

图六 基于二维材料的光电集成的代表性图

分层二维材料由于其超薄的衬底和与现有CMOS技术的兼容性，非常适合于平面硅光子学的集成。目前已实现CMOS集成电路与石墨烯的单片集成，用作宽带图像传感器。石墨烯和读出电路通过一个垂直的金属互连器进行连接。此外，在光电电路中，将二维材料与平面内消逝场耦合，为探索其在光电集成中的潜在应用提供了一个新的机遇。

结论与展望

科研人员对二维材料的研究付出了巨大的努力，加速了基于这些材料的光电器件的研究进展。二维材料的超薄体有助于它们与硅光子学的集成，这可能会彻底改变未来的半导体技术。尽管它们已经显示出了许多吸引人的性能和优势，基于二维材料的光电器件在光电集成中的应用仍需解决一些挑战。这些挑战反过来又可能为研究领域带来巨大的机遇。