传统的硅基波导光电探测器在光通信、计算和光探测领域具有重要应用，但由于晶格失配和热膨胀系数不匹配，其性能受到限制。近年来，二维材料因其无悬挂键的表面特性而成为高性能光电探测器的理想材料。其中，MoTe₂因其强光-物质相互作用和高稳定性而备受关注，但其较大的带隙限制了在电信C波段的应用。此前的研究通过应变工程将MoTe₂的工作波长扩展到1550 nm，但带宽受限于载流子传输时间，无法同时实现高响应度和大带宽。
据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学的科研团队提出了一种基于垂直范德华异质结构的高速、高响应度波导光电探测器，工作在电信波段（telecom band）。通过应变工程调控MoTe₂的带隙，该器件在电信C波段（~1550 nm）实现了20 mA/W的高响应度，并在电信O波段（~1310 nm）实现了创纪录的567 mA/W响应度。同时，垂直异质结构设计显著缩短了载流子传输路径，实现了高达4.81 GHz的3 dB带宽。这项研究以“High-Speed and High-Responsivity Vertical van der Waals Heterostructure Waveguide Photodetector Operating in Telecom Band”为题发表在ACS Nano期刊上。
光电探测器基于硅基绝缘体（SOI）平台制造，波导尺寸为220×500 nm²，以实现单模传输。石墨烯和MoTe₂通过机械堆叠的方式集成在硅波导上，形成垂直异质结构。通过原子力显微镜（AFM）测量，MoTe₂的厚度为28 nm，相关结果如图1所示。
图1 异质结构波导光电探测器
为了验证应变工程的效果，研究团队使用激光照射异质结构的应变和非应变区域，对比了应变区域和非应变区域在不同波长下的光电流响应，用以验证应变诱导的带隙纵效应和光电流的来源，相关结果如图2所示。
图2 有源区域形态表征和光电流映射
随后，研究团队使用1310 nm和1550 nm的可调谐激光器作为光源，评估了该基于垂直范德华异质结构波导的光电探测器的稳态光响应，相关结如图3所示。
图3 基于垂直范德华异质结构波导的光电探测器的稳态光响应
为了表征该器件的高速性能，研究团队使用图4a所示的实验装置测量了频率响应，通过矢量网络分析仪（VNA）来测量器件的频率响应。
图4 基于垂直范德华异质结构波导的光电探测器的动态性能特性
研究团队将该基于MoTe₂波导的光电探测器与其他先进光电探测器进行了比价，相关结果如图5所示。
图5 基于MoTe₂波导的光电探测器的性能
综上所述，这项研究通过应变工程和垂直异质结构设计，成功开发了一种在电信波段工作的高速、高响应度波导光电探测器。该器件不仅在1550 nm和1310 nm波长下实现了高响应度，还通过缩短载流子传输路径实现了大带宽。这项研究为MoTe₂在高性能光电器件中的应用提供了新的思路，并展示了其在光通信领域的巨大潜力。
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14937
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