研究背景
随着通信领域的迅速发展，对数据容量、传输速度和抗干扰能力提出了日益增加的需求。传统的硅基光子技术在实现光电探测器和其他有源器件方面遇到了物理限制，这些限制包括硅的间接带隙、光电调制效率低以及光检测范围有限等问题。光子作为信息载体具有明显的优势，例如无静质量和几乎不相互干扰，因此光通信和光电互连技术被认为是未来通信技术的重要发展方向。
为了克服硅材料在光电器件中的局限性，科学家们开始探索新的材料平台。在这些努力中，二维（2D）材料的发现引起了广泛关注。与传统的体块半导体相比，2D材料具有原子级光滑表面、较少的自由载流子、高机械强度和优良的柔韧性等优点，这些特性使其在光电子芯片中的集成具有巨大潜力。
研究内容
为了解决这些挑战，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。本研究致力于探索将2D材料与硅光子结构进行混合集成的方法，以实现高性能的光电探测器和广泛的应用。首先，作者全面分析了几种代表性的2D材料，包括石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物（TMDCs）。这些材料不仅具有丰富的能带结构和光学性质，还能够在广泛的波长范围内实现高效的光电响应，甚至涵盖中红外和太赫兹波段。
其次，作者深入研究了2D材料与硅光子器件的集成方法和大规模制备策略。由于2D材料的原子级厚度和良好的柔韧性，它们能够与成熟的CMOS加工技术完美结合，可以在硅光子结构上实现大规模集成，从而显著提升光电探测器的性能和可靠性。
最后，作者重点探讨了这些新材料在现代通信技术中的多样化应用，包括室温成像、视觉传感器、光谱仪和测距系统等。这些应用展示了2D材料在不同领域的广泛应用潜力，进一步证明了其在光电子集成领域的重要性和可行性。
图文解读
（1）实验首次探索了利用二维材料在硅光电子芯片上的混合集成，以实现高效光电探测器。二维材料，如石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物（TMDCs），因其原子级光滑表面、无悬挂键和原子级厚度，不需要考虑与硅衬底的晶格匹配问题，适合与成熟的CMOS加工技术大规模集成，为光电探测器的发展提供了新的可能性。
（2）实验通过详细分析了这些二维材料的电子和光学性质，揭示了它们在光电探测中的独特优势。与传统半导体相比，二维材料的固有带隙甚至可以为零，使其能够实现宽波谱的光电响应，覆盖从可见光到中红外甚至太赫兹波段。此外，由于二维材料中较少的自由载流子，能够有效抑制探测器的暗电流，从而实现室温下的高灵敏度检测。
（3）实验进一步探讨了这些新材料在现代通信技术中的广泛应用。二维材料不仅可以用于传统的光电二极管和场效应晶体管的制备，还能推动光谱仪、视觉传感器、光学成像和其他光电子集成系统的创新发展。这些应用展示了二维材料在多个领域中的多功能性和潜力，为未来科学技术的发展开辟了新的前景。
图 1 | 二维材料图像传感器。
图 2 | 使用二维材料的传感器内存。
图 3 | 使用二维材料的测距和跟踪系统。
图 4 | 使用二维材料的小型光谱仪。
图 5 | 二维材料在光探测技术中的发展。
图 6 | 标准和基于二维材料的光探测器技术的性能指标概述。
图 7 | 二维材料在光探测技术中的发展。
图 8 | 标准和基于二维材料的光探测器技术的性能指标概述。
结论展望
以上文章揭示了利用二维材料在光电探测领域取得的显著进展，为未来光子学技术的发展提供了深刻的科学启示。通过充分利用石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物等二维材料的优异光电性能，研究人员成功实现了高效的光电响应、超高灵敏度以及快速响应速度的光电探测器。这些材料不仅在室温下表现出卓越的性能，还通过与硅光子结构的混合集成，为光电子集成电路和光子集成电路带来了新的设计思路和技术实现途径。此外，二维材料基光电探测器的发展还引入了新的功能性，如可调谐光电响应和自然极化灵敏度，这些特性为光电子设备的复杂性和多功能性提供了坚实的基础。
二维材料的引入不仅拓展了光电探测器的性能边界，还推动了光子学技术向更高效、更复杂的方向发展。研究表明，通过优化二维材料的制备工艺和集成方法，可以实现更大范围内的光谱响应、更高的探测灵敏度以及更快的响应速度，这些都是未来光子通信、光电子集成系统以及高级成像技术所需的关键性能。因此，继续深入探索和理解二维材料的光电机制，以及解决其面临的挑战，将为实现更高级别的光电探测技术和应用提供重要的指导和技术支持。
该工作发表在Physics Reports上
文章链接（点击“阅读原文”）：https://doi.org/10.1016/j.physrep.2024.06.001
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