浙江大學林宏燾團隊、西湖大學李蘭團隊ACS Nano：片上集成型Bi2O2Se光電探測器

一、研究背景：

硅基光電子芯片由于具有小尺寸、低功耗、大帶寬等特性，已逐漸成為能滿足大數據傳輸需求的先進技術。波導集成型光電探測器是硅基光電子芯片中的一個重要元件，實現光信號到電信號轉換的功能，是光子、電子芯片的連接樞紐。目前商用的通訊波段集成型探測器主要是基于鍺、三五族半導體與硅波導集成的。受限于晶格常數、熱膨脹系數等參數的差異，導致在硅上外延生長光敏材料存在困難，不易實現單片集成，且光敏材料的外延成本較高。

近年來，二維材料逐漸展現了其用于波導集成光電探測器的優勢：首先，二維材料以范德瓦爾斯力結合，器件制備過程不受晶格匹配的制約，可以很好得與硅基材料集成，滿足大規模集成器件制備的要求；其次，二維材料具有超快的載流子遷移率，比如的石墨烯的載流子遷移率2×10⁵ cm²/(V·s)，能滿足器件超大帶寬的需求；此外，二維材料還具有寬光譜吸收、可調的光、電學性能，在O-U波段有很好的光吸收特性。

二、文章簡介：

近日，浙江大學林宏燾研究員團隊與西湖大學李蘭研究員團隊， 攜手清華-伯克利深圳學院劉碧錄、徐曉敏團隊及中國科學院微電子所唐波老師，共同報道了Bi₂O₂Se與硅波導、硅基微環集成工藝，實現了高性能O波段光電探測器。作者采用非平衡馬赫曾德爾干涉儀定量表征了Bi₂O₂Se在O波段的光吸收系數，用微環定量表征了Bi₂O₂Se在O波段的折射率。所報導的波導集成型Bi₂O₂Se探測器具有暗電流低、響應度高、噪聲等效功率低、響應速度快、頻譜響應寬等特點；微環集成型Bi₂O₂Se探測器除上述特點外還呈現出波長選擇性的探測功能。相關成果發表在ACS Nano上。

三、研究內容：

1、Bi₂O₂Se材料特性表征

通過化學氣相沉積法在云母襯底上生長出高質量Bi₂O₂Se，用PDMS、PC/PDMS將Bi₂O₂Se從云母襯底上剝離并轉移到硅波導上。采用光學顯微鏡、拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡、X射線能譜分析儀、透射電子顯微鏡表征了剝離之后Bi₂O₂Se材料特性。

圖1.?Bi₂O₂Se材料特性表征

2、器件結構、Bi₂O₂Se光吸收特性

采用光刻、離子束刻蝕等工藝獲得了O波段的高性能光學無源器件，包括光柵、波導、多模干涉儀等。將Bi₂O₂Se轉移在非平衡馬赫曾德爾干涉儀的一臂上，通過消光比的變化分析Bi₂O₂Se在O波段的吸收。

圖2.?器件結構、Bi₂O₂Se光吸收特性

3、波導集成型Bi₂O₂Se光電探測器性能

衡量一個探測器性能的參數主要包括暗電流、噪聲等效功率、響應度、量子效率、響應速度、線性度、頻譜響應等，本文全面、系統地表征了波導集成型Bi₂O₂Se探測器的性能。

圖3.?Bi₂O₂Se光電探測器響應度等性能表征

圖4.?Bi₂O₂Se光電探測器響應速度等性能表征

4、微環集成型Bi₂O₂Se光電探測器性能

微環諧振器是一個重要的集成光學器件，可以增強腔內光敏材料的光吸收。本文將Bi₂O₂Se與過耦合的微環諧振器集成在一起，通過微環諧振峰變化計算了Bi₂O₂Se的折射率、利用諧振增強Bi₂O₂Se對入射光吸收而實現波長選擇性光探測的功能，該結構的探測器可能在波分復用系統中能得到很好的應用。

圖5.?微環集成型Bi₂O₂Se光電探測器

四、總結與展望：

本文采用化學氣相沉積法合成了高質量的Bi₂O₂Se，利用光刻、離子束刻蝕等工藝獲得了O波段的高性能光學無源器件，主要包括光柵、波導、多模干涉儀、微環諧振器等，并通過干法轉移的方式實現了Bi₂O₂Se與硅基波導、微環的集成。該波導集成型Bi₂O₂Se探測器具有暗電流低、響應度大、噪聲等效功率低、響應速度快、頻譜響應寬等特點；微環集成型Bi₂O₂Se探測器除上述特點外還呈現出波長選擇性的探測功能。該工作將推動二維材料與波導集成的發展，報導的探測器在微型光譜儀、光學傳感、光通訊等領域有很好的應用前景。

五、致謝：

感謝國家重點研發計劃(2019YFB2203003)，國家自然科學基金(61975179、?91950204)，集成光電子國家重點實驗室開放基金(IOSKL2020KF05)，中央高校基本科研基金(2020XZZX005-07、2021QNA5007)，浙江省領軍型創新創業團隊引進培育計劃(2020R01005)，浙江大學百人計劃資助和西湖大學啟動經費對本研究的支持。感謝浙江大學微納加工中心，西湖大學微納平臺、理化平臺、分子科學平臺提供器件加工、表征服務。

原文鏈接：

High-Performance Waveguide-Integrated Bi2O2Se Photodetector for Si Photonic Integrated Circuits | ACS Nano

課題組簡介與招聘信息：

林宏燾：浙江大學信息與電子工程學院百人計劃研究員、博士生導師、海外高層次人才計劃青年項目入選者。主持科技部重點研發計劃課題1項，國家自然科學基金面上項目1項，參與自然基金重點項目及科技部重點研發計劃項目各1項。受邀擔任中國激光雜志社青年編委、紅外與激光工程青年編委。課題組研究方向主要包括：硫基光電子技術及其在新型集成光場調控及光子計算，中紅外集成光電子傳感及通訊，低維材料光電子集成及其極端光場調控及器件應用，紅外超表面波前調控及成像系統。

課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/lin_hongtao。目前急需青年才俊（博士后、博士生、科研助理）加入我們，共同成長和發展！聯系郵箱：hometown@zju.edu.cn

李蘭：西湖大學工學院研究員、博士生導師、海外高層次人才計劃青年項目入選者。主持國家自然科學基金面上、青年項目，參與科技部重點研發計劃等項目，從事柔性集成光電器件、三維光電器件集成方向十余年。目前課題組研究方向主要包括：開發柔性光子器件與新型功能材料（紅外光學玻璃，生物相容性氧化物，高分子聚合物，2D材料，半導體膜等）的關鍵集成技術和器件測試方法；探索新型柔性光電子器件（片上光源、調制、探測，柔性超表面結構等）在光互連、多維傳感、光聲成像及神經生物學等領域的應用。課題組主頁：http://flip.lab.westlake.edu.cn。實驗室目前有博士后、博士生和科研助理崗位，歡迎大家與我們聯系！聯系郵箱：lilan@westlake.edu.cn

本文由作者投稿。