浙江大学林宏焘团队、西湖大学李兰团队ACS Nano：片上集成型Bi2O2Se光电探测器

一、研究背景：

硅基光电子芯片由于具有小尺寸、低功耗、大带宽等特性，已逐渐成为能满足大数据传输需求的先进技术。波导集成型光电探测器是硅基光电子芯片中的一个重要元件，实现光信号到电信号转换的功能，是光子、电子芯片的连接枢纽。目前商用的通讯波段集成型探测器主要是基于锗、三五族半导体与硅波导集成的。受限于晶格常数、热膨胀系数等参数的差异，导致在硅上外延生长光敏材料存在困难，不易实现单片集成，且光敏材料的外延成本较高。

近年来，二维材料逐渐展现了其用于波导集成光电探测器的优势：首先，二维材料以范德瓦尔斯力结合，器件制备过程不受晶格匹配的制约，可以很好得与硅基材料集成，满足大规模集成器件制备的要求；其次，二维材料具有超快的载流子迁移率，比如的石墨烯的载流子迁移率2×10⁵ cm²/(V·s)，能满足器件超大带宽的需求；此外，二维材料还具有宽光谱吸收、可调的光、电学性能，在O-U波段有很好的光吸收特性。

二、文章简介：

近日，浙江大学林宏焘研究员团队与西湖大学李兰研究员团队， 携手清华-伯克利深圳学院刘碧录、徐晓敏团队及中国科学院微电子所唐波老师，共同报道了Bi₂O₂Se与硅波导、硅基微环集成工艺，实现了高性能O波段光电探测器。作者采用非平衡马赫曾德尔干涉仪定量表征了Bi₂O₂Se在O波段的光吸收系数，用微环定量表征了Bi₂O₂Se在O波段的折射率。所报导的波导集成型Bi₂O₂Se探测器具有暗电流低、响应度高、噪声等效功率低、响应速度快、频谱响应宽等特点；微环集成型Bi₂O₂Se探测器除上述特点外还呈现出波长选择性的探测功能。相关成果发表在ACS Nano上。

三、研究内容：

1、Bi₂O₂Se材料特性表征

通过化学气相沉积法在云母衬底上生长出高质量Bi₂O₂Se，用PDMS、PC/PDMS将Bi₂O₂Se从云母衬底上剥离并转移到硅波导上。采用光学显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线能谱分析仪、透射电子显微镜表征了剥离之后Bi₂O₂Se材料特性。

图1. Bi₂O₂Se材料特性表征

2、器件结构、Bi₂O₂Se光吸收特性

采用光刻、离子束刻蚀等工艺获得了O波段的高性能光学无源器件，包括光栅、波导、多模干涉仪等。将Bi₂O₂Se转移在非平衡马赫曾德尔干涉仪的一臂上，通过消光比的变化分析Bi₂O₂Se在O波段的吸收。

图2. 器件结构、Bi₂O₂Se光吸收特性

3、波导集成型Bi₂O₂Se光电探测器性能

衡量一个探测器性能的参数主要包括暗电流、噪声等效功率、响应度、量子效率、响应速度、线性度、频谱响应等，本文全面、系统地表征了波导集成型Bi₂O₂Se探测器的性能。

图3. Bi₂O₂Se光电探测器响应度等性能表征

图4. Bi₂O₂Se光电探测器响应速度等性能表征

4、微环集成型Bi₂O₂Se光电探测器性能

微环谐振器是一个重要的集成光学器件，可以增强腔内光敏材料的光吸收。本文将Bi₂O₂Se与过耦合的微环谐振器集成在一起，通过微环谐振峰变化计算了Bi₂O₂Se的折射率、利用谐振增强Bi₂O₂Se对入射光吸收而实现波长选择性光探测的功能，该结构的探测器可能在波分复用系统中能得到很好的应用。

图5. 微环集成型Bi₂O₂Se光电探测器

四、总结与展望：

本文采用化学气相沉积法合成了高质量的Bi₂O₂Se，利用光刻、离子束刻蚀等工艺获得了O波段的高性能光学无源器件，主要包括光栅、波导、多模干涉仪、微环谐振器等，并通过干法转移的方式实现了Bi₂O₂Se与硅基波导、微环的集成。该波导集成型Bi₂O₂Se探测器具有暗电流低、响应度大、噪声等效功率低、响应速度快、频谱响应宽等特点；微环集成型Bi₂O₂Se探测器除上述特点外还呈现出波长选择性的探测功能。该工作将推动二维材料与波导集成的发展，报导的探测器在微型光谱仪、光学传感、光通讯等领域有很好的应用前景。

五、致谢：

感谢国家重点研发计划(2019YFB2203003)，国家自然科学基金(61975179、 91950204)，集成光电子国家重点实验室开放基金(IOSKL2020KF05)，中央高校基本科研基金(2020XZZX005-07、2021QNA5007)，浙江省领军型创新创业团队引进培育计划(2020R01005)，浙江大学百人计划资助和西湖大学启动经费对本研究的支持。感谢浙江大学微纳加工中心，西湖大学微纳平台、理化平台、分子科学平台提供器件加工、表征服务。

原文链接：

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

课题组简介与招聘信息：

林宏焘：浙江大学信息与电子工程学院百人计划研究员、博士生导师、海外高层次人才计划青年项目入选者。主持科技部重点研发计划课题1项，国家自然科学基金面上项目1项，参与自然基金重点项目及科技部重点研发计划项目各1项。受邀担任中国激光杂志社青年编委、红外与激光工程青年编委。课题组研究方向主要包括：硫基光电子技术及其在新型集成光场调控及光子计算，中红外集成光电子传感及通讯，低维材料光电子集成及其极端光场调控及器件应用，红外超表面波前调控及成像系统。

课题组主页：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）加入我们，共同成长和发展！联系邮箱：hometown@zju.edu.cn

李兰：西湖大学工学院研究员、博士生导师、海外高层次人才计划青年项目入选者。主持国家自然科学基金面上、青年项目，参与科技部重点研发计划等项目，从事柔性集成光电器件、三维光电器件集成方向十余年。目前课题组研究方向主要包括：开发柔性光子器件与新型功能材料（红外光学玻璃，生物相容性氧化物，高分子聚合物，2D材料，半导体膜等）的关键集成技术和器件测试方法；探索新型柔性光电子器件（片上光源、调制、探测，柔性超表面结构等）在光互连、多维传感、光声成像及神经生物学等领域的应用。课题组主页：http://flip.lab.westlake.edu.cn。实验室目前有博士后、博士生和科研助理岗位，欢迎大家与我们联系！联系邮箱：lilan@westlake.edu.cn

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