北京
氮化硅波导集成碳纳米管光探测器的结构
近日，北京大学电子学院碳基电子学研究中心王胜团队与北京大学电子学院常林团队、中国科学院半导体所郑军团队合作，在高速光探测器领域取得重要进展，成功研制出氮化硅(SiNx)波导集成的碳纳米管光探测器，实现1.55μm与2μm双通信波段高速、高灵敏度、低暗电流光电转换，3dB带宽均超过67GHz，创下2μm波段高速光探测器带宽新纪录。相关成果以《工作于1.55μm与2μm波段、带宽超67GHz的氮化硅波导集成碳纳米管光探测器》(“SiNx Waveguide-Integrated Carbon Nanotube Photodetector with Bandwidth over 67 GHz Operating at 1.55 and 2 μm Band”)为题，于2026年4月24日在线发表于《美国化学会·纳米》(ACS Nano)。
随着通信技术、人工智能等技术的飞速发展，传统1.55μm通信C波段逼近容量极限，新兴的2μm波段凭借超低光纤传输损耗、超宽频谱资源，有望成为下一代超大容量光通信、星地链路、气体传感与红外成像应用的重要波段。然而，传统锗、铟镓砷等材料构建的探测器在2μm波段存在响应度低、带宽不足、暗电流大、CMOS兼容性差等问题。而碳纳米管材料具备高载流子迁移率、高饱和速度、红外波段高的光吸收系数、带隙随直径可调、CMOS工艺兼容等独特优势，是实现高速探测器的理想材料。研究团队采用平均直径约1.5nm高密度取向碳纳米管阵列，其吸收光谱可以完美覆盖1.55μm到2μm波段，同时结合钯-钛非对称接触电极与低传输损耗的氮化硅波导，通过多物理场仿真优化器件结构，实现波导光场与碳纳米管阵列薄膜的高效耦合，同时大幅降低器件RC时间常数，为实现探测器的高响应度和高带宽奠定基础。
经严格测试，该探测器在双波段均实现国际领先性能。1.55μm波段：−1V低偏压下，3dB带宽>67GHz(系统极限)，响应度0.3A/W，暗电流仅100nA;2μm波段：−1V偏压下，3dB带宽>67GHz(系统极限)，响应度达0.41A/W，暗电流低至80nA，并且通过高频S参数提取出来的理论带宽超过110GHz。这是首次在2μm波段实现带宽超过67GHz的高速探测器，超越硅、锗、锗锡、III–V族及石墨烯为代表的二维材料等现有方案，标志碳基光电探测技术正式迈入双波段、高速、低功耗、高集成度的新阶段。同时，该器件具备低温制备(<200℃)、CMOS后道工艺兼容、单片光电集成(OEICs)潜力等优势。该成果为将来通信系统从主流的1.55μm波段向2μm波段拓展提供CMOS兼容的高速光探测器解决方案，有望推动未来碳基集成电路芯片和光芯片的一体化集成。
北京大学电子学院博士研究生章皓昱、电子学院博士后赵红艳和中国科学院半导体所博士研究生李嘉仪为论文共同第一作者，王胜、常林和郑军为论文共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助，并获得纳米器件物理与化学教育部重点实验室、光子传输与通信全国重点实验室、北京大学微纳加工实验室的大力支持。
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