二维材料集成光电子领域的基本知识与前沿技术

随着后摩尔时代的到来，信息通信技术的发展不再能仅仅依靠减小晶体管的尺寸来实现，因此，光电集成芯片开始受到越来越多的关注。通过在芯片上巧妙设计和集成半导体光电子器件和电子器件，光电集成回路(optoelectronic integrated circuits，OEICs)有望实现高速稳定的信号感知、处理和通信等功能，并兼具器件集成度高、单位器件制作成本低、能耗低等优点。

自1964年Stewart E. Miller首次提出集成光学的概念以来，伴随着半导体工业的快速发展，集成光电子学经历了半个多世纪的快速发展。目前，许多材料（例如，硅及其化合物、锗、砷化镓、磷化铟、铌酸锂）已被广泛探索用于开发光电集成回路。与传统集成电路（IC）不同，由于硅基材料能带结构的局限性，在单一材料平台上很难实现光的产生、传导、调制、探测等多种功能。因此，异质半导体材料集成被认为是推动光电集成回路发展的有效方法。

二维半导体材料在推动异质集成光电子器件领域展现出巨大潜力。与体材料相比，二维材料具有电子态密度低、与平面器件加工兼容性好、对异质集成的材料晶格匹配要求不高等优点。自2004年石墨烯被首次发现以来，人们已经发现或合成了包括过渡金属硫化合物、黑磷、Xenes等在内的数百种二维材料，材料展现出了半导体、半金属和绝缘体等一系列有趣的光电特性。

直到2011年，工作带宽为1 GHz的硅基波导集成的电光调制器被首次报道。其中，波导器件中的传播光通过平面内倏逝场耦合与表面覆盖的二维材料相互作用，能够在不改变石墨烯的能带结构的条件下，增强石墨烯对光的吸收，克服了二维材料的光与物质相互作用较弱的局限性。目前，各类二维材料异质集成的光电子波导器件已经被广泛研究，如图1所示。

图1二维材料集成光电子芯片示意图。通过结合二维材料与波导器件，有望实现激光器、电光调制器、光电探测器等光电器件的单片集成。

本文综述了二维材料集成光电子的发展历史、现状和趋势。首先，讨论了光子响应覆盖红外波段的二维材料的光电特性，包括：石墨烯、黑磷、二碲化钼、二硒化铂、二硒化钯等；其次，介绍了二维材料集成光电子的制作方法；然后，分析了波导集成的二维材料器件中光与物质的相互作用；接着，从片上集成的激光器、电光调制器、光电探测器三部分系统的进行综述；最后对本文进行总结和展望。通过阅读本文，读者可以了解到二维材料集成光电子领域的基本知识、前沿技术和研究进展。

审核编辑：刘清