在短波红外波长范围内使用的波导集成自供电MoS2光电探测器

《ACS Photonics》：Waveguide Integrated Self-Powered MoS2 Photodetectors in the Shortwave Infrared Wavelengths

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　　宽带光探测器（PDs）在现代光子集成电路（PICs）中扮演着至关重要的角色。这些设备广泛应用于数据通信、传感、光谱分析和成像等领域，特别是在可见光和红外波段实现高性能室温（RT）光检测。然而，现有的半导体PD技术面临一系列挑战，包括光谱响应范围的限制、能耗较高、噪声特性不佳，以及化合物半导体材料（如InGaAs、InSb、HgCdTe）与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的不兼容性。这些问题不仅影响了系统的可扩展性，还增加了制造成本并阻碍了与现代硅基PIC和CMOS读出电子设备的集成。随着光子技术的不断发展和对性能要求的提升，克服这些限制对于构建更加高效、经济且可扩展的PD集成系统变得尤为重要。

因此，探索新的PD技术路径，以实现更宽的光谱响应范围、更低的能耗和更简单的制造工艺，成为研究的重点。在过去十年中，二维（2D）材料因其独特的光电性能被越来越多地应用于PD研究。这些材料不仅提供了开发新型量子（光子）探测器和热（功率）探测器的可能性，还表现出优于传统半导体器件的性能。例如，单层石墨烯（SLG）由于其零能带隙的特性，能够实现跨可见光至太赫兹波段的多光谱响应。而单层过渡金属二硫属化合物（TMDs）如单层二硫化钼（1L-MoS?）则具有可调的能带结构，这使得它们在实现高性能PD方面具有更大的潜力。

在这些材料中，1L-MoS?作为一种半导体2D材料，展现出优越的热电性能。相比于SLG，其Seebeck系数更高，能够更有效地将温度梯度转化为电压输出。此外，通过在1L-MoS?与金属之间形成肖特基接触，还可以利用内部光电发射（IPE）效应进一步增强光探测性能。这种双机制结合的方式，为实现自供电、宽光谱响应的PD提供了新的思路。

本研究中，我们提出了一种基于单层MoS?的零偏压、波导集成的PD设计。该设备能够在电信波段（1550 nm）工作，并且没有暗电流。通过利用光热电效应（PTE）与内部光电发射过程，我们的PD在1550 nm处实现了约180 V/W的响应率，这是目前文献中报道的最高值，适用于无偏压的二维PD在短波红外（SWIR）波段。此外，该PD的频率响应处于毫秒量级，主要受限于设备的电气RC时间常数。在1 Hz频率下，PD的噪声等效功率（NEP）约为500 nW，主要由1/f噪声主导，而在约100 Hz频率下，NEP降低至约0.3 nW。因此，该PD的特定探测度（D*）在1/f噪声限制下约为10? Jones，而在Johnson噪声限制下则达到了约2 × 101? Jones。这些结果表明，基于二维半导体材料的PD在提升自供电探测器技术方面具有巨大潜力。

为了实现这一目标，我们设计了一种不对称接触结构，将金（Au）接触垫与硅波导结合，以增强PTE和IPE效应。这种结构采用Au/1L-MoS?/Au的简单配置，与标准的硅绝缘（SOI）波导耦合。通过这种方法，我们不仅提高了PD的响应率，还实现了低噪声和高效率的性能。此外，通过有限元电磁仿真（MODE）和全3D有限差分时域（FDTD）模拟，我们研究了PD的光行为，并量化了不同模式对光吸收和响应率的贡献。仿真结果与实验数据表现出良好的一致性，验证了PD在光谱响应和性能方面的优势。

在制造过程中，我们使用标准的SOI基板，包括220 nm厚的硅器件层和2 μm厚的埋氧化层（BOX）。波导的几何形状（220 nm高度，560 nm宽度）通过电子束光刻（EBL）定义，并采用氟化学基的反应离子刻蚀（RIE）进行加工。为了实现MoS?的转移，我们首先在基板上旋涂并热处理氢硅倍半氧烷（HSQ）电子束光刻胶，形成一个平坦的表面。随后，通过化学气相沉积（CVD）在蓝宝石基板上生长单层MoS?，并采用真空辅助半干法转移技术将其转移到HSQ覆盖的硅波导上。最后，通过电子束光刻和RIE步骤形成Au接触垫，并使用电子枪辅助沉积技术完成金属接触的制造。

为了确保MoS?层的质量和均匀性，我们进行了拉曼和光致发光（PL）光谱分析。实验结果显示，MoS?层在波导上的集成保持了良好的结构特性，且在不同区域表现出均匀的光响应。此外，通过调整PD的电导率（掺杂）和优化电气与热接触电阻，我们能够进一步提升PD的响应率和频率响应范围。例如，通过实现冷区的欧姆接触，PD的频率响应可以达到约100 MHz，这将显著提高其在实际应用中的性能。

在噪声特性方面，我们测量了PD在暗条件下的电压噪声，并通过快速傅里叶变换（FFT）分析了其噪声功率谱密度（PSD）。结果显示，PD在低频范围内主要受到1/f噪声的影响，而在高频范围内则由Johnson噪声主导。通过计算噪声等效功率，我们得出PD在1 Hz时的NEP约为500 nW，而在Johnson噪声限制下则降低至约0.3 nW。这一结果表明，基于二维半导体材料的PD在噪声控制方面具有显著优势。

综上所述，我们的研究展示了基于1L-MoS?的宽带、零偏压、波导集成PD的潜力。该设备能够在电信波段实现高性能光检测，并且具备自供电特性。通过结合PTE和IPE效应，我们实现了更高的响应率和更低的噪声水平。此外，通过优化制造工艺和材料特性，PD的频率响应和探测性能得到了显著提升。这些成果为开发高效、宽带、低功耗的PD集成系统提供了重要的理论基础和技术支持，也为未来在CMOS和光子集成领域实现更先进的光探测技术奠定了基础。