來源：北京大學
近日，北京大學電子學院碳基電子學研究中心王勝團隊與北京大學電子學院常林團隊、中國科學院半導體所鄭軍團隊合作，在高速光探測器領域取得重要進展，成功研制出氮化硅（SiNx）波導集成的碳納米管光探測器，實現1.55μm與2μm雙通信波段高速、高靈敏度、低暗電流光電轉換，3dB帶寬均超過67GHz，創下2μm波段高速光探測器帶寬新紀錄。相關成果以《工作于1.55μm與2μm波段、帶寬超67GHz的氮化硅波導集成碳納米管光探測器》（“SiNx Waveguide-Integrated Carbon Nanotube Photodetector with Bandwidth over 67 GHz Operating at 1.55 and 2 μm Band”）為題，于2026年4月24日在線發表于《美國化學會·納米》（ACS Nano）。
隨著通信技術、人工智能（AI）等技術的飛速發展，傳統1.55μm通信C波段逼近容量極限，新興的2μm波段憑借超低光纖傳輸損耗、超寬頻譜資源，有望成為下一代超大容量光通信、星地鏈路、氣體傳感與紅外成像應用的重要波段。然而，傳統鍺、銦鎵砷等材料構建的探測器在2μm波段存在響應度低、帶寬不足、暗電流大、CMOS兼容性差等問題。而碳納米管材料具備高載流子遷移率、高飽和速度、紅外波段高的光吸收系數、帶隙隨直徑可調、CMOS工藝兼容等獨特優勢，是實現高速探測器的理想材料。研究團隊采用平均直徑約1.5nm高密度取向碳納米管陣列，其吸收光譜可以完美覆蓋1.55μm到2μm波段，同時結合鈀-鈦非對稱接觸電極與低傳輸損耗的氮化硅波導，通過多物理場仿真優化器件結構，實現波導光場與碳納米管陣列薄膜的高效耦合，同時大幅降低器件RC時間常數，為實現探測器的高響應度和高帶寬奠定基礎。
氮化硅波導集成的碳納米管光探測器結構
經嚴格測試，該探測器在雙波段均實現國際領先性能。1.55μm波段：?1V低偏壓下，3dB帶寬＞67GHz（系統極限），響應度0.3A/W，暗電流僅100nA；2μm波段：?1V偏壓下，3dB帶寬＞67GHz（系統極限），響應度達0.41A/W，暗電流低至80nA，并且通過高頻S參數提取出來的理論帶寬超過110GHz。這是首次在2μm波段實現帶寬超過67GHz的高速探測器，超越硅、鍺、鍺錫、III–V族及石墨烯為代表的二維材料等現有方案，標志碳基光電探測技術正式邁入雙波段、高速、低功耗、高集成度的新階段。同時，該器件具備低溫制備（＜200℃）、CMOS后道工藝兼容、單片光電集成（OEICs）潛力等優勢。該成果為將來通信系統從主流的1.55μm波段向2μm波段拓展提供CMOS兼容的高速光探測器解決方案，有望推動未來碳基集成電路芯片和光芯片的一體化集成。
碳納米管光探測器在2μm波段的性能表征
2μm波段現有高速光探測器的帶寬、響應度性能對比
北京大學電子學院博士研究生章皓昱、電子學院博士后趙紅艷和中國科學院半導體所博士研究生李嘉儀為論文共同第一作者，王勝、常林和鄭軍為論文共同通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助，并獲得納米器件物理與化學教育部重點實驗室、光子傳輸與通信全國重點實驗室、北京大學微納加工實驗室的大力支持。
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