随着5G网络技术商业化、云计算、物联网(IoT)等大数据传输需求带来的全球数据流量和数据交互的快速增长，传统的电互连技术存在寄生电容大、时延长、传输量小、带宽有限等缺点，已不能满足需求。相比之下，光互连以其数据传输速度快、带宽大、损耗低、抗干扰能力强等优点，已成为下一代通信的核心技术。高性能光电器件(如激光器、调制器、光电探测器等)与电子器件的单片或混合集成为服务于光互连的光电集成电路(OEIC)和光子集成电路(PIC)提供了一种成本低且节能的解决方案。在光电探测器方面，宽光谱响应、高响应度、大带宽、低暗电流、低热预算、晶圆级可稳定制备的材料和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容性是满足片上高速互连系统的必要条件。
硅(Si)波导集成光电探测器具有传输损耗低、色散非线性可控、灵敏度高、时延短、易于集成、CMOS工艺兼容性好等特点，已成为研究热点。目前基于硅波导的光电探测器的主流是锗-硅光电探测器，其带宽已经可以达到265 GHz以上(Nat. Photon. 2021, 15, 925–931)。然而，其工艺过程存在高的热预算问题，因为高质量的锗材料是在500℃~700℃的硅波导上外延生长的，会降低OEIC工艺（先“电”后“光”）中硅基集成电路(IC)的性能。由于硅的带隙限制(~1.12 eV)，大多数用于高速光通信的纯硅光电探测器主要工作在1300 nm左右(Opt. Express 2009, 17, 7901-7906.)，难以扩展到C波段(1530 nm~1565 nm)或2000 nm波段，并且其具有大的暗电流和高的驱动电压会导致高功耗问题。此外，虽然波导集成的二维材料(如石墨烯、黑磷和过渡金属硫族化合物(TMDs))光电探测器取得了很好的进展，但仍存在暗电流大，或频谱响应范围有限、或者带宽低等问题(Light Sci. Appl. 2021,10, 123.)。
北京大学电子学院/碳基电子学研究中心王胜副研究员团队和北京邮电大学电子工程学院杨雷静研究员团队合作，利用CNTs的ps级的本征光响应时间、高载流子迁移率（高达100000 cm2·V−1·s−1）、宽带响应、高光吸收系数、以及具有晶圆级的材料制备、低热预算器件加工工艺等优势, 在硅波导上转移高半导体纯度的网络状CNTs薄膜，以钯(Pd)金属和铪金属(Hf)做电极，实现了一种具有低暗电流和大带宽，可工作在C波段的高性能硅波导集成碳纳米管光电探测器（图1）。通过一系列的光场模拟和器件参数优化，研究了波导两侧的接触电极（Pd电极和Hf电极）与波导的间隔距离（DWG-Hf和DWG-Pd）对器件的光电性能的影响规律（图2和图3）。与图1中的未优化器件相比（0V下短路光电流Isc~27.8 nA，光响应度RI~1.59 mA/W），当DWG-Hf和DWG-Pd分别为100 nm和300 nm时，探测器在0 V下的短路光电流Isc(~78.0 nA)和光响应度RI(~4.5 mA/W)明显提高了2.8倍以上（图4）。优化沟道长度后的50 μm宽的探测器（图5），在0 V时具有低暗电流~0.155 pA，即使在-2 V反向偏置时，暗电流也仅为~0.157 μA。探测器在0V下3dB带宽高达48 GHz。在-2 V反偏下探测器可获得更大的Iph(817.4 nA)和RI(73.62 mA/W)。
图1 波导集成的Pd-Hf非对称接触CNTs光电探测器
图2 波导集成的CNTs光电探测器的Hf接触电极位置优化
图3 波导集成的CNTs光电探测器的Pd接触电极位置优化
图4 电极位置优化后的波导集成CNTs光电探测器的光响应特性
图5 优化后的波导集成CNTs光电探测器的直流和高频响应
图6 论文截图
相关研究成果以题为“低暗电流、48 GHz带宽的硅波导集成碳纳米管光电探测器”(Silicon waveguide-integrated carbon nanotubes photodetector with low dark current and 48 GHz bandwidth）的论文，发表于《ACS Nano》，ACS Nano 2023, 17, 8, 7466–7474。北京邮电大学与北京大学电子学院联合培养的在读博士生赵红艳为文章第一作者，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邮电大学电子工程学院杨雷静研究员为文章共同通讯作者。
该工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研基金支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c12178
