二維材料集成光電子領(lǐng)域的基本知識與前沿技術(shù)

隨著后摩爾時代的到來，信息通信技術(shù)的發(fā)展不再能僅僅依靠減小晶體管的尺寸來實現(xiàn)，因此，光電集成芯片開始受到越來越多的關(guān)注。通過在芯片上巧妙設(shè)計和集成半導(dǎo)體光電子器件和電子器件，光電集成回路(optoelectronic integrated circuits，OEICs)有望實現(xiàn)高速穩(wěn)定的信號感知、處理和通信等功能，并兼具器件集成度高、單位器件制作成本低、能耗低等優(yōu)點。

自1964年Stewart E. Miller首次提出集成光學(xué)的概念以來，伴隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，集成光電子學(xué)經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的快速發(fā)展。目前，許多材料（例如，硅及其化合物、鍺、砷化鎵、磷化銦、鈮酸鋰）已被廣泛探索用于開發(fā)光電集成回路。與傳統(tǒng)集成電路（IC）不同，由于硅基材料能帶結(jié)構(gòu)的局限性，在單一材料平臺上很難實現(xiàn)光的產(chǎn)生、傳導(dǎo)、調(diào)制、探測等多種功能。因此，異質(zhì)半導(dǎo)體材料集成被認(rèn)為是推動光電集成回路發(fā)展的有效方法。

二維半導(dǎo)體材料在推動異質(zhì)集成光電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。與體材料相比，二維材料具有電子態(tài)密度低、與平面器件加工兼容性好、對異質(zhì)集成的材料晶格匹配要求不高等優(yōu)點。自2004年石墨烯被首次發(fā)現(xiàn)以來，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或合成了包括過渡金屬硫化合物、黑磷、Xenes等在內(nèi)的數(shù)百種二維材料，材料展現(xiàn)出了半導(dǎo)體、半金屬和絕緣體等一系列有趣的光電特性。

直到2011年，工作帶寬為1 GHz的硅基波導(dǎo)集成的電光調(diào)制器被首次報道。其中，波導(dǎo)器件中的傳播光通過平面內(nèi)倏逝場耦合與表面覆蓋的二維材料相互作用，能夠在不改變石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)的條件下，增強石墨烯對光的吸收，克服了二維材料的光與物質(zhì)相互作用較弱的局限性。目前，各類二維材料異質(zhì)集成的光電子波導(dǎo)器件已經(jīng)被廣泛研究，如圖1所示。

圖1二維材料集成光電子芯片示意圖。通過結(jié)合二維材料與波導(dǎo)器件，有望實現(xiàn)激光器、電光調(diào)制器、光電探測器等光電器件的單片集成。

本文綜述了二維材料集成光電子的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢。首先，討論了光子響應(yīng)覆蓋紅外波段的二維材料的光電特性，包括：石墨烯、黑磷、二碲化鉬、二硒化鉑、二硒化鈀等；其次，介紹了二維材料集成光電子的制作方法；然后，分析了波導(dǎo)集成的二維材料器件中光與物質(zhì)的相互作用；接著，從片上集成的激光器、電光調(diào)制器、光電探測器三部分系統(tǒng)的進行綜述；最后對本文進行總結(jié)和展望。通過閱讀本文，讀者可以了解到二維材料集成光電子領(lǐng)域的基本知識、前沿技術(shù)和研究進展。

審核編輯：劉清