高速光探测器是光通信系统中的重要组件，光通信系统需要高速探测器来实现快速的光电信号转换，并且探测器的带宽限制着通信网络中的信号传输速度，因此高速光探测器的研究受到广泛关注。目前，受限于硅的大带隙、锗的高热预算、III-V材料与硅基CMOS工艺不兼容以及低维材料响应度较差等问题，实现高响应度、高带宽、硅基CMOS兼容、低成本的光高速探测器仍然存在严峻挑战。

碳纳米管是一种无悬挂键的一维材料，不仅具有高的载流子迁移率和饱和速度，同时具有超小的本征电容以及在红外波段高的光吸收系数，是制备高性能光探测器的理想材料。阵列碳纳米管具有更低的结电容和结电阻，因此更适合制备高速光探测器，并且目前阵列碳纳米管已经可以实现晶圆级制备，可以极大的降低器件制备成本。北京大学电子学院/碳基电子学研究中心王胜副研究员与北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室张帆教授合作，基于高纯度的碳纳米管阵列实现了高性能的碳纳米管光探测器，也是碳纳米管高速光探测器的首次报道。该探测器同时呈现出高响应度和高带宽，并展示出其在高速光通信系统中应用的能力。

图1 高速碳纳米管光探测器示意图

课题组在高阻硅基底上采用交叉指状电极的方式有效降低了探测器的串联电阻，同时提高了输出信号的信噪比。所制备的碳纳米管光探测器在1550nm的光照射下，其响应度最高可达1.5A/W，同时探测器呈现出宽的光谱响应范围，可以覆盖整个光通信波段（O band-U band），如图2c所示。

图2 碳纳米管高速光探测器的直流光响应

所构建的感光面积为100平方微米的碳纳米管光探测器的带宽达到22.1GHz，可满足高速光通信系统的要求。高的带宽主要是由于探测器具有高的载流子迁移率，较小的电容和较低的串联电阻（RC）。

图3 碳纳米管高速光探测器的带宽和电容测试

课题组同时展示了碳纳米管光探测器在高速光通信系统中的信号传输能力，用于表征信号传输速度和误码率。所构建的光探测器在40Gbit/s的信号传输链路中呈现出清晰的眼图，在100Gbit/s的信号传输链路中误码率约为5.2e^-3，表明碳纳米管光探测器可用于100Gbit/s的光通信系统中。

图4 碳纳米管高速光探测器的眼图和误码率测试

课题组进一步通过尺寸缩减将探测器面积缩减至20平方微米，从而将探测器缩容减小至33fF。所构建的小尺寸碳纳米管光探测器带宽可达64GHz，超过目前已报道的垂直入射的CMOS兼容的高速光探测器的最好结果。

图5 碳纳米管高速光探测器的尺寸缩减性能

图6 论文截图

该成果以《带宽超过60GHz的超快碳纳米管光探测器》（Ultrafast Carbon Nanotube Photodetectors with Bandwidth over 60 GHz）为题，发表于《ACS Photonics》（ACS Photonics 2023, 10, 1060–1069）。北京大学电子学院在读博士生吴威锋为文章第一作者，北京大学电子学院/碳基电子学研究中心王胜副研究员和北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室张帆教授为文章共同通讯作者。

本工作得到了国家重点研发项目（Grant No. 2020YFA0714703）、国家自然科学基金（Grant Nos. 62071008, U21A6004）和鹏城实验室重点项目（PCL 2021A14）的支持。该研究中制备的碳纳米管高速光探测器具有高响应度、高带宽、宽光谱响应范围、小尺寸以及简单的制备工艺，有望用于下一代高速光互联和光电集成系统中。