集成薄膜铌酸锂脊波导的高性能近红外光电探测器
2025-07-26 22:25:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究将具有非零带隙的二维材料MoTe2集成到脊波导薄膜铌酸锂平台上，成功制备出高性能光电探测器。该器件凭借其高响应度和低暗电流等特点，适用于光子集成芯片和光通信等领域。
薄膜铌酸锂（TFLN）凭借其高非线性、高电光系数、低光损耗和高折射率对比度等卓越的光学特性，已成为光子集成领域的重要平台。集成光子学的蓬勃发展对高性能光电探测器（PD）的研发提出了迫切需求。然而，由于薄膜铌酸锂自身存在光吸收能力较弱和导电性有限等问题，使其无法直接进行光探测，从而构成重大技术挑战。为突破这一限制，将光敏材料与薄膜铌酸锂平台集成已被证实是一种有效的解决方案。脊波导在横向方向具有高折射率对比度，这一特性可减小弯曲半径，进而缩小整体器件尺寸。这一特性对光子器件的微型化而言至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近期，西安工业大学、深圳技术大学和深圳大学的研究人员组成的团队展示了一种与薄膜铌酸锂脊波导集成的高灵敏度MoTe₂光电探测器。该器件在红外波段表现出优异的光响应性能，在1310 nm波长下的响应度达到1.61 A/W，在1550 nm波长下的响应度达到15.37 mA/W。该器件的暗电流极低，在1 V偏置电压下暗电流仅为8 nA。这项研究将具有非零带隙的二维材料MoTe₂集成到脊波导薄膜铌酸锂平台上，成功制备出高性能光电探测器。该器件凭借其高响应度和低暗电流等特点，适用于光子集成芯片和光通信等领域。相关研究内容以“High-performance MoTe₂ photodetector integrated with thin-film lithium niobate ridge waveguides”为题发表在SPIE会议论文集。
图1(a)和图1(b)分别展示了该光电探测器的结构示意图和截面结构图，图1(c)展示了MoTe₂覆盖脊波导的光学显微镜图像。薄膜铌酸锂脊波导采用标准光刻与反应离子刻蚀（RIE）相结合的工艺制备，刻蚀深度为250 nm，电极采用铬和金沉积而成，MoTe₂薄片通过机械剥离法并转移至脊波导上。另外，研究人员利用锥形透镜光纤端面耦合技术，将强度可调激光器（λ = 1310 nm和1550 nm）耦合至薄膜铌酸锂脊波导中。
图1 集成TFLN脊波导的MoTe₂光电探测器的结构示意图
研究人员对该光电探测器的光电性能进行了详细测试。图2(a)和2(b)分别为1310 nm和1550 nm激光激发下，不同入射功率下的半对数I-V曲线。图2(c)展示了在偏置电压1 V、1310 nm和1550 nm光照下，光电流与入射光功率的关系。如图2(d)所示，偏置电压为1 V时，在1310 nm光照、入射功率3 nW时，最高响应度可达1.62 A/W；而在1550 nm光照、入射功率为70 nW时，最高响应度可达16.4 mA/W。
图2 集成TFLN脊波导的MoTe₂光电探测器的半对数I-V曲线及响应度特性
图3(a)和图3(b)分别展示了该光电探测器在偏置电压1V、1310 nm和1550 nm光照下的响应时间。研究人员对该光电探测器与其它集成薄膜铌酸锂波导的光电探测器的性能进行了比较。结果显示，该光电探测器表现出极低暗电流和较高响应度。
图3 集成TFLN脊波导的MoTe₂光电探测器的上升与下降时间
综上所述，这项研究成功制备了集成薄膜铌酸锂脊波导的高性能MoTe₂光电探测器。该器件在1310 nm波长下的光响应度为1.61 A/W，在1550 nm波长下的光响应度为15.37 mA/W。在1 V的偏置电压下，该器件表现出极低的暗电流（8 nA）。1310 nm和1550 nm光照下的上升/下降时间分别为0.42/0.71 ms和0.56/0.6 ms。这项研究将MoTe₂与薄膜铌酸锂相集成，为高性能光电探测器的研发奠定了重要基础。
论文链接：https://doi.org/10.1117/12.3057634
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