光在特定介质中传输速度快、损耗小、且能抗电磁干扰，因此光互连技术可以通过提升通信容量、传输速度和降低功耗，缓解数据中心的压力、提升高性能计算机性能。随着光网络的发展，集成光电子芯片由于具有小尺寸、低功耗、大带宽等优势，在光通讯、光互连、实时传感、集成光谱仪、光遗传学等领域展现出的良好应用前景。波导集成型光电探测器是光电子芯片中的一个重要元件，完成波导中光信号到电信号的转换，是光子、电子芯片的连接枢纽。

近日，西湖大学工学院李兰课题组与浙江大学林宏焘课题组开展合作研究，设计了硅基集成光学无源器件，将用作光电转换的二硒化钯（PdSe₂）材料集成在硅波导上，实现PdSe₂与硅波导中光场的耦合，进而探测波导中的光信号。此项研究成果“Waveguide-Integrated PdSe₂ Photodetector over a Broad Infrared Wavelength Range”于7月5日发表在国际期刊《Nano Letters》，第一作者为西湖大学博士生吴江宏、浙江大学博士生马辉和浙江大学钟础宇博士，通讯作者为西湖大学工学院李兰研究员和浙江大学信电学院林宏焘研究员。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02099

近年来，二维材料波导集成光电探测器一直是备受关注的研究课题。基于光电效应的探测器通常需要光敏材料带隙小于入射光子能量，进而价带电子才能吸收光子能量被激发到导带成为自由电子，实现光电转换，比如为了探测1550 nm的入射光通常需要材料的带隙小于0.8 eV。目前已报导的二维材料中可用做通讯波段（O-L波段）光探测的屈指可数，石墨烯、黑磷、MoTe₂、Bi₂O₂Se等窄带隙二维材料已被应用于波导集成光电探测器，然而基于以上几种材料的器件都还存在一些不足之处：比如石墨烯的半金属特性导致器件的散粒噪声很大，在弱光探测的应用中存在挑战；黑磷在空气中的不稳定性限制了器件的加工和应用；MoTe₂和Bi₂O₂Se的光学带隙较大，对探测S、C、L、U波段的入射光存在挑战。

最近人们发现了一种新的二维PdSe₂，它是一种在空气中能稳定存在的窄带隙范德瓦尔斯材料，吸收光谱覆盖通讯波段乃至中波红外，而且理论计算的迁移率能达到42000 cm²▪V^-1▪s⁻¹，符合开发高性能波导集成探测器的条件。此外，可以通过在干净的衬底上沉积Pd纳米薄膜、硒化后获得大面积二维PdSe₂薄膜，用作阵列式器件制备。然而，目前基于PdSe₂的探测器都还是自由空间的器件。鉴于此，研究团队设计了PdSe₂/硅混合波导，证实了PdSe₂波导集成探测器可以实现O-C波段光探测，在通讯波段展现了优良的光电性能，推动了PdSe₂在集成光电子器件中的应用。

研究团队通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀、电子束曝光等微纳加工工艺实现了硅基无源集成光学器件，利用微机械力剥离、干法转移的方式实现了波导集成的PdSe₂探测器（图1 A）。PdSe₂/硅混合波导中的模场仿真结果（图1 B）表明PdSe₂能有效的吸收入射光；随着入射光功率变大，探测器的电流也逐渐增大，表明PdSe₂能将吸收的光子转换成电子（图1 E）。金属电极和PdSe₂的功函数差异（图1 D）导致界面处的电子发生转移，形成势垒，呈现出二极管的特性，而中间区域的PdSe₂则被视为是一个电阻，因此PdSe₂探测器的等效电路可以看作是两个背靠背的二极管和一个电阻的串联（图1 C）。

图1. PdSe2探测器的结构、机理及光电转换

    PdSe₂光吸收系数和载流子浓度会被静电场调控，随着栅极电压由负变到正，PdSe₂探测器的暗电流逐渐减小，且在正栅极电压下光电流变大（图2 A）。PdSe₂探测器在O-L波段有很好的光电响应（图2 B），实验中耦合进波导中的光波长受光栅工作带宽的限制，研究团队制备了自由空间的PdSe₂探测器证明了PdSe₂的工作波长可以拓展至中波红外。目前，PdSe2探测器在C波段的带宽为1.5 GHz、眼图结果表明其可用于接收2.5 Gbit▪s^-1的数据传输（图2 C、D），这两个参数目前主要受限于PdSe₂和金属电极之间的接触电阻，通过优化接触电阻和缩短沟道距离能将PdSe₂探测器用于更高速的应用场景。噪声是衡量探测器的一个重要参数，研究团队测试了1/f噪声（图2 E），发现在百兆量级的以下工作频率1/f噪声都是器件的主要噪声源。相较于已经实现的二维半导体波导集成光电探测器和PdSe2自由空间光电探测器（图2 F），研究团队开发的PdSe₂波导集成光电探测器有明显优势。

图2. PdSe2探测器的性能

此研究工作实现了PdSe₂/硅波导集成光电探测器，该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。探测器性能受PdSe₂光学和电学各向异性、PdSe₂材料厚度、栅极调控电压等因素的影响。该工作将推动PdSe₂在集成光电子器件应用中的发展，设计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。