高速高响应度硅-黑磷混合集成波导型中红外光电探测器

近年来,硅光技术发展迅速,已成为集成光学领域新兴主流方向。高性能硅基集成光电探测器作为其核心器件之一也取得重要进展,特别是面向1550nm近红外波段的锗硅光电探测器日趋成熟。当前,硅光技术正朝着2μm等更长波段不断推进,以期在光传感等更多领域发挥更重要作用。因此,中红外波段的高性能硅基光电探测器也引起国内外研究人员的极大兴趣。“硅+X”混合集成是其重要技术途径,而“硅+传统半导体材料”混合集成尚面临着结构与工艺兼容性难题。二维材料的出现为之提供了一种新的选择。其中,少层黑磷是一种近年来新兴的二维材料,具有可调控窄带隙及宽光吸收谱、高载流子迁移率等优异光电特性,可用于实现中红外波段高速光电探测器。同时,利用其分子间范德华力作用,易于与硅光波导相集成,具有结构与工艺兼容性。因此,发展中红外波段硅-黑磷混合集成光电探测器件极具吸引力。

中国浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室戴道锌课题组和深圳大学张晗课题组等合作者对此进行了探索研究,首次成功研制了一种在2μm波段具有高速高响应度的硅-黑磷混合集成波导光电探测器。

该研究团队采用机械剥离方法获得~40nm厚黑磷薄膜,并通过微区转移技术将其转移至硅波导芯片上相应的光探测区。在此结构中,利用其导波模式传输特点,显著延长倏逝波光场与黑磷材料的作用,有效增强其光吸收效率,从而实现更高光电流。该工作从理论和实验探究了黑磷各项异性对探测器光吸收率及响应度的影响,分析了其光伏效应工作机制,进一步研究了其温度特性。实验测试结果显示:在2μm波段,该硅-黑磷混合集成波导光电探测器响应度达0.3A/W,且在25℃~65℃范围内都具有很好的稳定性;其测试带宽为1.3GHz并成功实现了4Gbps数据接收。根据其等效电路模型及材料特性的进一步分析,该光电探测器有望拓展至3μm以上波段,并获得超10GHz的更大带宽,具有广泛的应用前景。相关结果发表于Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201900032)。