光电集成有利于未来海量的数据传输，因为电子与光电元件的协同集成可以实现高带宽、高密度的信息交互。随着近年来光电子技术需求的急剧增加，实现低成本、高速、低能耗及小型化的光电子器件具有巨大的商业和科学价值。在过去几年里，二维材料及其光电器件领域的研究迅速增加（见下图1）。二维材料具有超薄的厚度，分布广泛的带隙（见下图2），强的光与物质相互作用以及与当前硅基半导体技术相兼容的加工技术，为探索新颖的电子和光电子功能提供了丰富的平台。近期，中科院长春光机所李绍娟研究员与黎大兵研究员等在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Perspectives of 2D Materials for Optoelectronic Integration”的文章（DOI:10.1002/adfm.202110119）。文章介绍了二维材料光电特性及典型的电子和光电应用，包括光源、光调制器、光探测器、场效应晶体管和逻辑电路，讨论了二维材料及光电器件的最新进展、未来趋势和存在的挑战，为二维材料用于光电集成提供了一个新的视角。文章首先简要介绍了二维材料及其异质结构的合成与光电特性。将二维材料集成到硅光电子中需要制备大规模、均匀、高结晶的二维薄膜，文章从自上而下和自下而上两个方面分别介绍了用于光电集成的二维材料的合成。之后分别介绍了石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等材料及其相互组合形成异质结的性质。接下来分别介绍了基于二维材料的典型的光电器件，包括光源、光调制器和光电探测器，其中也讨论了二维材料的电子特性，回顾了二维场效应晶体管和逻辑电路的发展，在此基础上总结了基于二维材料的非线性集成光子学的研究进展，重点介绍了二维材料与平面硅光子学的集成（见图3）。文章最后一部分讨论了未来光电集成的机遇与挑战（见图4）。高质量的二维材料半导体的大规模生产是其走向实际应用的重要一步，发展二维材料异质结堆叠的晶圆尺寸的原位制造技术是未来发展的重要方向。实现二维材料无损耗的转移也是一个重要的挑战。由于超薄的特性，二维材料更容易受到环境的影响，所以如何在保护二维材料的同时降低其对电荷输运和光学性质的影响是一个重要的问题。为了进一步优化器件性能，还需要对现有二维材料特别是异质结的性能进行进一步的研究。随着二维材料的不断发展以及实验精度和可控性合成技术的提高，研究人员可以通过调节二维材料的原子组成和结构来探索和开发新的功能。
图1 过去十年基于二维材料典型的光电应用领域发表论文统计
图3 二维材料与硅半导体集成的光电子器件示意图。（a）单层MoS2与波导集成的光电探测器示意图。（b）石墨烯/MoS2异质结与SiN波导集成的光探测器示意图（c）基于MoTe2和波导集成的LED和光电探测器的原理图（d）基于石墨烯的光学相干接收机原理图。
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