高性能红外光电探测器在光通信、热成像、医疗、军事和环境监控等领域有着重要的应用。目前，基于III-V/II-VI族传统半导体材料（铟镓砷/汞镉碲，InGaAs/HgCdTe）的红外光电探测器面临着复杂的制备流程、高成本以及和CMOS集成困难等问题，难以满足日益增长的商业需求。因此，探索用于制备低廉、高性能光电探测器的新材料成为了迫切的需求。

自2004年起，以石墨烯为代表的新型二维层状材料由于其新颖的物理结构和性质，在新一代高性能电子和光电器件领域展现出了极其重要的应用前景。二维层状材料是由强的面内原子间共价键构成的原子层，通过弱的层间范德瓦尔斯力堆叠而成，具有原子级别薄的厚度、高的载流子迁移率和强的光-物质相互作用等优良特性。当二维材料的带隙小于光通信波段的光子能量时，会引起强的光吸收，从而应用于光通信波段光电探测器。

目前，基于二维材料及其异质结构建的光通信波段光电探测器已取得了重大的研究进展，这充分表明了新型二维材料在光通信波段光电探测器的应用前景。

1、基于单一二维材料的光通信波段光电探测器

由于石墨烯具有零带隙和超高的迁移率，因此通常应用于高频、宽光谱的光电探测器。基于石墨烯的光通信波段光电探测器2010年实现了6.1 mA W^-1的灵敏度和262 GHz的带宽，2014年实现了50 GBit s^-1高的光学数据传输速率。该探测器虽具有超快响应速度，但低的光灵敏度限制了其实际应用。

碲烯是一种新型单元素二维材料，因其具有高迁移率和好的稳定性等优良特点，获得了广泛的研究和关注。碲是一种稳定的窄带隙半导体材料，可应用于光通信波段探测。

Amani等在金/氧化铝构成的光学腔上制备了碲光电探测器[图1(a)]，在整个光通信波段实现了高灵敏度探测。通过调节氧化铝的厚度可调节光电探测器在不同探测波长的灵敏度，如当氧化铝的厚度为150 nm，在光通信波长1550 nm处实现了7 A W^-1高的灵敏度[图1(b)]。优化后的光电器件在1700 nm探测波长处的探测率为2×10⁹ Jones。

Shen等制备的碲光电探测器在光通信波长1550 nm处实现了19.2 mA W^-1灵敏度[图1(c)]和37 MHz的带宽。

2022年Ma等通过物理气相沉积制备的碲纳米片光电探测器[图1(d)]，可实现整个光通信波段探测。在光通信波长1550 nm光照下，其灵敏度为9.38 A W^-1，上升沿和下降沿的响应时间分别为70和72 μs[图1(e)~(f)]。

贵族金属硫族化合物具有10³ cm V^-1 s^-1高的迁移率、0-2 eV的带隙和强稳定性等优良性能，可被应用于光通信波段光电探测器。

Wang等在硅光学波导上集成了PdSe₂光电探测器，在光通信波段S、C和L带的灵敏度基本都为20 mA W^-1，其带宽为40 GHz（图2）。

2022年，Wu等在硅光学波导上集成制备的PdSe₂光电探测器[图2(d)]实现了1.5 GHz的带宽[图2(e)]和2.5 GBit s^-1的数据传输速率。该器件在通信波长1550 nm处的灵敏度为1.76 mA W^-1，外量子效率为95%[图2(f)]，噪声等效功率为4.0 pW Hz^-0.5。

2021年，Azar等在金/氧化钛光学腔衬底上制备了PtSe₂光电探测器[图2(g)]在通信波长1550 nm处实现了1.1 mA W^-1灵敏度[图2(h)]。Shawkat等制备的PtTe₂光电探测器[图2(i)]，在光通信波段（O、E、S、C和L波段）的灵敏度均大于5 mA W^-1。这表明了这些贵族金属硫化物在光通信波段具有重要的实际应用前景。

2、基于二维异质结材料的光通信波段光电探测器

许多过渡金属硫族化合物（TMDs）的带隙过高，对光通信波段是透明的。然而，由TMDs构成的II型异质结具有独特的层间带隙，可大大拓宽探测波长。

Zhang等制备的MoTe₂/MoS₂ II型异质结[图3(d)]，具有0.66 eV层间带隙，可使探测波长延展至1550 nm。类似地，GaTe/InSe II型异质结[图3(e)~(f)]具有0.55 eV层间带隙，使其在400~1550 nm范围内具有宽光谱响应。

p-g-n异质结构是在两种二维半导体异质结中间插入石墨烯，以用于高性能宽光谱光电探测。中间层石墨烯不仅可以改善半导体材料之间的接触和界面缺陷从而提高电子-空穴对分离速率以获得更快的光响应，而且还可以作为吸光层拓宽探测光谱范围。

Long等制备的MoS₂/graphene/WSe₂探测器实现了400-2400 nm的宽探测波长范围（包含了整个光通信波段）和53.6/30.3 μs短的上升/下降时间[3(g)~(i)]。

此外，Li等制备的MoTe₂/graphene/SnS₂器件在1550 nm波长下的探测率和灵敏度分别高达1.06 ×10¹¹ Jones 和11.7 A W^-1。

这充分表明了基于二维异质结材料在光通信波段的应用前景，可以通过设计不同材料的异质结来提高探测器的探测范围等性能。

目前的研究表明，基于二维材料的光电探测器性能优于当前基于传统材料的器件，充分说明了二维材料在下一代光电探测器、光通信和图像传感器等方面的应用潜力。然而，要实现二维材料的产业化应用，在高品质、大规模二维材料的制备、以及器件制造工艺上仍需要大量的研究工作。

当前存在掺杂不均匀性、差的材料生长可控性或转移可变性等引起的批次间可变性等问题，以及由于二维材料与局部环境相互作用有时引起的滞后效应等一系列挑战。这需要科研人员、半导体代工厂和主要行业参与者共同努力，从而实现并制定一套统一化、标准化和规模化的技术路线。

深圳大学微纳光电子学研究院张文静教授团队长期致力于利用化学气相沉积等方法制备晶圆级单晶二维半导体原子晶体等新型信息光电材料，研发基于低维材料的新型功能器件，如光电探测器、逻辑运算器、柔性器件和忆阻器等，在Nature Electronics、Nature Materials等期刊共发表论文100余篇，被引用了22000余次。

科学编辑 | 柯宇轩 张青

推荐阅读：

专题 | 下一代变革性技术！“纳米光子材料”专题多角度、全方位呈现最新进展

封面 | 在动量空间中“观测”波函数——分子轨道断层成像

亮点 | 联苯材料优越光电性能，电泵浦激光未来可期

亮点 | 半导体量子点的双激子发光

亮点 | 崭露头角——二维反铁磁材料的追“光”之路

End

首发前沿光学成果，放送新鲜光学活动