氮化硅波導(dǎo)集成碳納米管光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)

近日，北京大學(xué)電子學(xué)院碳基電子學(xué)研究中心王勝團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)電子學(xué)院常林團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所鄭軍團(tuán)隊(duì)合作，在高速光探測(cè)器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功研制出氮化硅(SiNx)波導(dǎo)集成的碳納米管光探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)1.55μm與2μm雙通信波段高速、高靈敏度、低暗電流光電轉(zhuǎn)換，3dB帶寬均超過67GHz，創(chuàng)下2μm波段高速光探測(cè)器帶寬新紀(jì)錄。相關(guān)成果以《工作于1.55μm與2μm波段、帶寬超67GHz的氮化硅波導(dǎo)集成碳納米管光探測(cè)器》(“SiNx Waveguide-Integrated Carbon Nanotube Photodetector with Bandwidth over 67 GHz Operating at 1.55 and 2 μm Band”)為題，于2026年4月24日在線發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》(ACS Nano)。

隨著通信技術(shù)、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)1.55μm通信C波段逼近容量極限，新興的2μm波段憑借超低光纖傳輸損耗、超寬頻譜資源，有望成為下一代超大容量光通信、星地鏈路、氣體傳感與紅外成像應(yīng)用的重要波段。然而，傳統(tǒng)鍺、銦鎵砷等材料構(gòu)建的探測(cè)器在2μm波段存在響應(yīng)度低、帶寬不足、暗電流大、CMOS兼容性差等問題。而碳納米管材料具備高載流子遷移率、高飽和速度、紅外波段高的光吸收系數(shù)、帶隙隨直徑可調(diào)、CMOS工藝兼容等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)高速探測(cè)器的理想材料。研究團(tuán)隊(duì)采用平均直徑約1.5nm高密度取向碳納米管陣列，其吸收光譜可以完美覆蓋1.55μm到2μm波段，同時(shí)結(jié)合鈀-鈦非對(duì)稱接觸電極與低傳輸損耗的氮化硅波導(dǎo)，通過多物理場(chǎng)仿真優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)光場(chǎng)與碳納米管陣列薄膜的高效耦合，同時(shí)大幅降低器件RC時(shí)間常數(shù)，為實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的高響應(yīng)度和高帶寬奠定基礎(chǔ)。

經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，該探測(cè)器在雙波段均實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先性能。1.55μm波段：?1V低偏壓下，3dB帶寬>67GHz(系統(tǒng)極限)，響應(yīng)度0.3A/W，暗電流僅100nA;2μm波段：?1V偏壓下，3dB帶寬>67GHz(系統(tǒng)極限)，響應(yīng)度達(dá)0.41A/W，暗電流低至80nA，并且通過高頻S參數(shù)提取出來的理論帶寬超過110GHz。這是首次在2μm波段實(shí)現(xiàn)帶寬超過67GHz的高速探測(cè)器，超越硅、鍺、鍺錫、III–V族及石墨烯為代表的二維材料等現(xiàn)有方案，標(biāo)志碳基光電探測(cè)技術(shù)正式邁入雙波段、高速、低功耗、高集成度的新階段。同時(shí)，該器件具備低溫制備(<200℃)、CMOS后道工藝兼容、單片光電集成(OEICs)潛力等優(yōu)勢(shì)。該成果為將來通信系統(tǒng)從主流的1.55μm波段向2μm波段拓展提供CMOS兼容的高速光探測(cè)器解決方案，有望推動(dòng)未來碳基集成電路芯片和光芯片的一體化集成。

北京大學(xué)電子學(xué)院博士研究生章皓昱、電子學(xué)院博士后趙紅艷和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所博士研究生李嘉儀為論文共同第一作者，王勝、常林和鄭軍為論文共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，并獲得納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光子傳輸與通信全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)微納加工實(shí)驗(yàn)室的大力支持。

審核編輯 黃宇