北大与中科院联合开发高速光探测器 碳纳米管器件实现双波段带宽超67GHz

一、研究背景：传统波段资源趋紧，2μm波段受关注

随着通信与人工智能技术发展，主流的1.55μm通信C波段资源日趋紧张。2μm波段因其较低的光纤传输损耗和较宽的频谱资源，在下一代大容量光通信、星地链路、气体传感与红外成像等方向受到关注。然而，锗、铟镓砷等传统材料探测器在2μm波段存在响应度偏低、带宽不足、暗电流较大、CMOS兼容性有待提升等问题，限制了相关技术的应用。

二、技术方案：碳纳米管结合氮化硅波导提升探测性能

北京大学电子学院王胜团队联合本校常林团队、中国科学院半导体研究所郑军团队，选用碳纳米管作为光探测材料。碳纳米管具有较高的载流子迁移率、良好的红外吸收特性、可调节的带隙以及与CMOS工艺的兼容性。研究团队采用平均直径约1.5nm的高密度取向碳纳米管阵列，使其响应范围覆盖1.55μm至2μm波段。同时，结合钯-钛非对称接触电极与低损耗氮化硅波导，经过多物理场仿真优化结构设计，实现了波导光场与碳纳米管阵列的高效耦合，降低了器件RC时间常数，为获得较高的响应度与带宽奠定了基础。

三、核心性能：双波段带宽均超67GHz

经过测试，该探测器在双波段表现出较为突出的性能指标：

1.55μm波段：在-1V低偏压条件下，3dB带宽超过67GHz，响应度为0.3A/W，暗电流约为100nA；

2μm波段：在-1V偏压条件下，3dB带宽超过67GHz（理论带宽超过110GHz），响应度为0.41A/W，暗电流约为80nA。

这是在2μm波段实现带宽超过67GHz的高速探测器之一，其性能指标优于部分已有方案，标志着碳基光电探测技术在双波段、高速、低功耗方向取得了新的进展。

四、应用价值：兼容CMOS工艺，助力光电芯片集成

该器件可在低于200℃的条件下制备，兼容CMOS后道工艺，具备单片光电集成的潜力。相关成果于2026年4月24日发表于《ACS Nano》，为通信系统从1.55μm向2μm波段拓展提供了一种与CMOS工艺兼容的高速探测器方案，有望推动碳基集成电路芯片与光芯片的一体化集成。

五、团队与资助

北京大学电子学院章皓昱、赵红艳及中国科学院半导体研究所李嘉仪为论文共同第一作者，王胜、常林、郑军为共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持，依托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等平台完成。

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