如今，随着通信领域的快速发展，对数据容量、传输速度和抗干扰能力的要求越来越高。传统集成电路正逐渐接近摩尔定律（芯片集成度每18个月翻一番）。此外，电子器件进一步小型化和连接集成电路时的高功耗所导致的延迟效应也逐渐成为电子高速集成电路中不可逾越的障碍。与电子相比，光子作为信息载体具有极大的优势：光子没有静态质量，几乎不会相互干扰。对于多通道通信，可以同时使用不同波长的光，有效提高传输效率。因此，在通信信息技术中使用光子系统可以具有更大的带宽和更高的灵敏度。以上优势表明，光通信和光电互联在未来具有巨大的发展潜力。
受国际物理学研究领域的顶级权威综述性学术期刊Physics Reports编辑Daniel Vanmaekelbergh教授邀请，松山湖材料实验室林生晃、沐浩然团队以“Integration of Two-dimensional Materials Based Photodetectors for On-Chip Applications”为题发表相关综述性论文，并重点介绍了二维材料在CMOS兼容和硅光子结构中的混合集成技术，以及这些技术在现代通信技术领域的应用。
从二维材料的电子和光学特性分析，到大规模制备策略的探讨，再到光探测技术的最新进展，本文全面概述了片上集成光电探测器和光电集成领域的成果和前景，特别强调了片上光电探测器的卓越性能。得益于二维材料的卓越光电特性，这些探测器在光电响应度、检测率、增益和响应速度等方面实现了显著的提升，在电子集成电路（EIC）和光子集成电路（PIC）具有广泛应用。这些多功能且高效的片上解决方案为高级成像、传感器内存、测距和光谱识别等应用领域带来了变革。
图1 二维材料光电探测器的响应机制总结
图2 二维材料光电探测器发展路线图
自2009年石墨烯光电探测器的首次发现以来，研究者们已经探索了包括一元二维材料（如BP、Te、Se）、二元二维过渡金属硫化物（TMDCs，如MoS₂、WS₂、MoTe₂、PdSe₂、ReSe₂）以及其他化合物二维材料（如Bi₂Te₃、BiI₃、TaIrTe₄）。这些材料以其独特的物理性质在光电探测领域脱颖而出。例如，石墨烯光电探测器利用其超快的载流子动力学和高迁移率，实现了快速响应和广泛的带宽。而基于VI族TMDC材料的光电探测器则因其显著的光-物质相互作用，展现出高增益和灵敏度。这些二维材料不仅在材料结构上呈现出多样性，在器件性能上也发挥了出色的表现。更为重要的是，基于二维材料的光电探测器引入了超越传统光电探测器的创新功能。这些材料的固有原子厚度为栅极可调性提供了极大的便利，将光探测与电信号处理的结合推向了新的高度。
图3 a 二维的光电探测器的性能指标；b 二维光电探测器的响应时间与响应度
图3a总结了二维光电探测器的性能指标，以MoS₂、WSe₂为代表的TMDs材料，由于其电子态密度具有范霍夫奇点，具有优异的关态特性和共振光吸收。与石墨烯相比，窄带隙的MoS₂显示出更高的光响应，这使其可以构建具有大带宽和高响应的器件。这些特性证明了其在现代光通信和光电系统中的广泛应用潜力。在近红外范围内（如通信频段，1530~1565
nm），MoTe₂和石墨烯表现出与商用InGaAs和Ge光电探测器相当的高性能（大带宽和高检测率），有望在片上光集成中得到广泛应用。除了大宽带和高检测性外，响应速度也是基于二维材料的光电探测器的重要参数。图3b显示了各种光电探测器的响应时间与响应度。对于竞争激烈的新兴技术，迫切需要同时提高设备的响应性（或增益）和响应时间。而高增益的根源通常源于载流子的长寿命，这可能会降低器件的响应时间。因此，最终要考虑的是增益和响应时间的乘积，而不是增益或响应时间本身。
图4 二维光电材料及其器件集成
利用多种合成方法，如大面积剥离、CVD和MOCVD，已成功合成具有高质量、稳健的环境稳定性和集成度的二维材料晶圆级薄膜。迄今为止，这些材料，包括石墨烯、MoS₂、MoTe₂、MoSe₂、PtSe₂、Bi₂O₂Se等，已成为最先进的光电探测器应用不可或缺的一部分。图4描绘了这些二维材料如何成为像素和波导阵列探测器。当像素阵列探测器与EIC集成时，可以赋予器件更复杂的功能，从高清成像到传感器内非易失性存储器，以及用于下一代计算架构的复杂3D逻辑。此外，通过集成EIC的其他架构，还可以在改进的二维阵列光电探测器的基础上实现精确的LiDAR测量和现场可部署光谱等不同功能。在PIC领域，波导阵列探测器执行关键操作，包括光学检测、信号调制和光子发射，这些基本过程对于推进通信和光子计算至关重要。
随着二维材料大规模制造技术的日益成熟，它们在阵列和PIC集成方面的潜力得到了进一步的增强。这不仅标志着光子器件正朝着小型化和多功能化迈出了重要步伐，也为构建紧凑而复杂的光子系统提供参考。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.physrep.2024.06.001
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
