Mid-infrared GeSn Electro-Absorption Optical Modulators on Silicon
中红外硅光子学是近年来兴起的一种新技术，在光通信、激光雷达和生物传感等领域有着广泛的应用。实现该技术的一个关键组件是用于编码光信号的中红外光调制器。在这里，我们提出了一个GeSn电吸收调制器，可以在中红外范围内工作。重要的是，该器件单片集成在硅衬底上，这为可扩展的制造提供了与标准互补金属氧化物半导体技术的兼容性。通过将Ge与Sn合金化来设计带隙，我们观察到明显的Franz-Keldysh效应，并在2067-2208 nm的中红外范围内实现了最佳调制，最大吸收比为1.8。硅基中红外光调制器的研究结果为下一代中红外硅光子学开辟了新的途径。
2018-08-25 physics.app-ph physics.optics
Electrically Injected mid-infrared GeSn laser on Si operating at 140 K
本研究制备了基于法布里-珀罗腔的硅上电注入中红外GeSn激光器，通过降低光学损耗、提升光限制效应降低了阈值电流密度，实现140 K最高工作温度，为硅基集成中红外光源提供了可行方案。
2024-05-16 physics.app-ph physics.optics
Mid-Infrared Thermal Radiation Harvesting using Uncooled Narrow Bandgap GeSn Thermophotovoltaic cell
University of Massachusetts Boston（马萨诸塞大学波士顿分校）
GeSn热光伏电池在中红外波段实现高效热辐射收集，展示出与InAs相似的性能趋势，但受缺陷复合和传输损失限制，具有进一步优化的潜力。
2026-02-24 physics.app-ph
Black GeSn on Silicon for Enhanced Short-Wave Infrared Detection and Imaging
本研究在硅上开发了黑GeSn薄膜光电探测器，通过掺入Sn扩展探测范围至1960 nm并表面黑化降低反射损失，结合载流子倍增使响应度提升1.45倍，显著增强了短波红外探测与成像性能。
2024-12-22 physics.app-ph physics.optics
GeSn 320 \times 256 Focal Plane Array for Silicon-Based Short-wave Infrared Imaging
本研究采用CMOS兼容工艺在Si衬底上制造了高性能320×256 GeSn焦平面阵列，在77K下比探测率达9.7×10^11，首次成功捕获SWIR图像，展现了其在商业短波红外成像领域的应用潜力。
2025-06-30 physics.app-ph physics.optics
Monolithic Infrared Silicon Photonics: The Rise of (Si)GeSn Semiconductors
（Si）GeSn半导体在经过漫长的孕育期后终于成熟了。器件质量外延层和量子工程异质结构的展示意味着可调谐全IV族Si集成红外光子学现在是一种真正的可能性。尽管最近在（Si）GeSn材料和器件方面取得了令人兴奋的发展，但这一系列半导体仍然面临着严重的限制，需要解决这些限制，以实现可靠和可扩展的应用。主要的突出挑战包括难以在期望的Sn含量和晶格应变下生长高结晶质量层和异质结构，在生长期间和整个器件处理步骤中保持材料完整性，以及控制掺杂和缺陷密度。其他挑战与缺乏优化的器件设计和预测性理论模型来评估和模拟（Si）GeSn层和异质结构的基本性质和性能有关。该观点强调了规避这些障碍的关键策略，并使这种材料系统成熟，为Si兼容的红外光电探测器，传感器和发射器在自由空间通信，红外捕获，生物和化学传感以及热成像中的应用创造了深远的新机会。
2021-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mid-infrared emission and absorption in strained and relaxed direct bandgap GeSn semiconductors
通过独立的工程应变和成分，这项工作证明和研究直接带隙发射在中红外范围内从硅上生长的GeSn层。在Sn含量为17 at.%的均匀层中，我们将室温发射波长扩展到~4.0 μm以上。基于温度依赖的光致发光、吸收测量和理论模拟，讨论了光发射的基本机制。无论应变和组成，这些分析证实，单峰发射总是观察到的探测温度范围为4-300 K，排除了缺陷和杂质相关的发射。此外，热激活的非辐射复合通道的载流子损耗被发现作为应变弛豫的结果被极大地最小化。吸收测量验证直接带隙吸收在应变和放松的样品在能量密切匹配的光致发光数据。这些结果突出了GeSn半导体作为可扩展、紧凑和硅兼容的中红外光子学和量子光电子学的通用构建块的强大潜力。
2020-12-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Quantum efficiency enhancement of mid infrared photodetectors with photon trapping micro-structures
本研究提出利用光子捕获微结构来提高中红外光电探测器的量子效率。由微孔组成的纳米结构减少了反射，并将近垂直入射光弯曲成吸收层中的横向模式。
2018-08-29 physics.app-ph
High Speed Mid-Wave Infrared Uni-traveling Carrier Photodetector
针对市售高速中波红外光电探测器带宽不足的问题，首次制备出室温下基于InAs/GaSb第二类超晶格的高速单行载流子光电探测器，实现6.58GHz的3dB带宽，可应用于高速光电子场景。
2020-05-26 physics.app-ph
High-speed InAs/GaSb Mid-Wave Infrared Interband Cascade Photodetector at Room Temperature
高速中波红外（MWIR）光电探测器在高精度频率梳光谱学和光探测与测距（LIDAR）等新兴领域有着重要的应用。在这项工作中，我们报告了一个高速室温中波红外带间级联光电探测器（ICIP）的基础上的II型InAs/GaSb超晶格。器件的截止波长约为5 μ m，3 dB带宽可达7.04 GHz。在300 K下，在-0.1 V下，暗电流密度为9.39 × 10- 2A/cm ~ 2。这些结果验证了ICIP在室温下实现高频操作和低噪声的优势。基于S参数分析和其他射频性能测试，讨论了该检测器高速性能的限制。
2020-08-31 physics.app-ph
High Speed Mid-Infrared Interband Cascade Photodetector Based on InAs/GaSb Type-II Superlattice
高速中波红外（MWIR）探测器在自由空间光通信、频率梳光谱等领域有着广泛的应用。然而，目前对中波红外光电探测器的研究主要集中在如何提高量子效率和减小暗电流，以提高探测率（D*）上，相应的中波红外光电探测器的3dB带宽性能还没有得到充分的研究。本文报道了一种基于InAs/GaSb Ⅱ型超晶格的中波红外带间级联光电探测器，其50%截止波长在300 K时约为5.3 μ m。在-5V偏压下，对于40 μm圆直径的器件，3dB截止频率在300 K时为2.4GHz。高速中波红外（MWIR）光电探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等领域有着广泛的应用前景。然而，目前对中波红外光电探测器的研究主要集中在如何提高量子效率和减小暗电流，以提高探测率（D*）上，相应的中波红外光电探测器的3dB带宽性能还没有得到充分的研究。本文报道了一种基于InAs/GaSb Ⅱ型超晶格的中波红外带间级联光电探测器，其50%截止波长在300 K时约为5.3 μ m。在-5V偏压下，对于40 μ m圆直径的器件，3dB截止频率在300 K时为2.4GHz。对探测器的高速性能的限制也进行了讨论。
2019-07-12 physics.app-ph
Ge-Ge$_{0.92}$Sn$_{0.08}$ core-shell single nanowire infrared photodetector with superior characteristics for on-chip optical communication
最近的发展Ge $_{1-x}$ Sn $_x$纳米线具有高的Sn含量，超过其固溶极限，使他们有吸引力的所有IV族硅集成的红外光子在纳米尺度。本文报道了一种化学气相沉积生长的高Sn含量Ge-Ge $_{0.92}$ Sn $_{0.08}$核壳结构单纳米线光电探测器，工作波长为1.55 $μ$ m。利用X射线光电子能谱和拉曼光谱数据研究了纳米线中Sn的原子浓度。一种基于金属-半导体-金属的单纳米线光电探测器，通过电子束光刻工艺制造，即使在零偏压下也表现出显著的室温光响应。除了纳米线的高结晶质量和相同的壳成分之外，在外部电场下光生载流子的有效收集导致优异的响应度和光电导增益高达~70.8 A/W和~57 A/W，分别在-1.0V的施加偏压下。额外的-所制造的光电探测器的普通性能证明了GeSn纳米线用于未来Si CMOS兼容的片上光通信器件应用的潜力。
2022-02-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mid-infrared photodetector based on 2D material metamaterial with negative index properties for a wide range of angles near vertical illumination
提出了一种基于石墨烯的负折射率超材料垂直照明硅兼容中红外光电探测器。在没有超材料的帮助下，以接近垂直于表面的角度耦合到2D层中是可以忽略的。我们提出了一种低损耗的超材料，介电结构与纳米/微米孔通过二维材料，支持谐振，并提高量子效率在很宽的入射角范围内。
2021-02-08 physics.app-ph physics.optics
Broadband Angular-selective Mid-infrared Photodetector
提出一种可无缝集成于中红外光电探测器的角选择性微结构阵列，利用光展量守恒实现宽带高角选择性，滤除非目标角度辐射，显著提升信噪比且对偏振和波长不敏感。
2025-04-29 physics.app-ph physics.optics
Extended-SWIR GeSn LEDs with reduced footprint and power consumption
CMOS兼容的短波和中波红外发射器非常适合于硅基光子和电子集成电路的单片集成，以服务于传感和通信中的无数应用。在这方面，在硅（Si）上外延生长的IV族锗锡（GeSn）材料作为实现可调谐红外线发射器的有前景的平台而出现。实际上，在增加Sn含量时，GeSn的带隙变窄并且变得直接，使得该材料系统适合于开发有效的硅兼容发射器。从这个角度来看，微桥PIN锗锡LED与小的足迹$1,520$ $μ$ m $^2$的演示和他们的操作性能进行了研究。电致发光发射的光谱分析在$2.31$ $μ$ m处呈现峰，并且随着驱动电流的增加，其略微红移。结果表明，微桥LED在室温下的功耗为$10.8$ W，在$80$ K下的功耗为$3$ W.这证明了低操作功率与针对具有达到$10^6$ $μ$ m $^2$的显著更大覆盖区的LED所报道的操作功率相当。目前设计的有效散热有助于减少热引起的光学损耗，从而增强光发射。通过对微桥设计的热模拟和光学模拟，可以设想进一步的性能改进。预期使用GeSnOI衬底来开发类似的装置以改善光学限制，从而实现电驱动GeSn激光器。
2023-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Upmost efficiency, few-micron-sized midwave infrared HgCdTe photodetectors
设计并模拟了一个几微米厚的结构，在预定的中红外波长处显示出近100%的共振偏振吸收率。与谐振腔增强型光电探测器结构类似，它包含一个封闭在电介质腔中的薄吸收体，但由两个层上光栅结构代替反射镜。公平的制造公差，同时保持高峰值效率得到证明。对腔体-吸波体区域的电磁场幅值和坡印廷矢量进行了可视化，并讨论了两种线极化情况下的电磁功率流拓扑。
2019-05-28 physics.app-ph physics.optics
Geometric Filterless Photodetectors for Mid-infrared Spin Light
需要偏振器和波片的自由空间圆偏振光（CPL）检测已经被很好地建立，而这种空间自由度不幸地在集成片上光电子学中不存在。目前，已报道的无滤光片CPL光电探测器存在固有的分辨比小、易受非CPL场分量影响、响应度低等缺点。在这里，我们报告了一个独特的范例几何光电探测器在中红外表现出巨大的歧视比，接近完美的CPL特定的响应，在室温下为392 V/W的零偏压响应率，和椭圆率下降到0.03 $^o$ Hz $^{-1/2}$的探测。我们的方法采用等离子体纳米结构阵列与明智地设计的对称性，辅助石墨烯带电读取其近场光学信息。这种红外光电探测器的几何授权配方为片上无滤波器CPL检测提供了一种稳健、直接、严格和高质量的解决方案，并为集成功能性光电子器件带来了新的机遇。
2022-04-08 physics.app-ph physics.optics
Lateral Cavity-Enhanced Guided Mode Resonance Structures for Mid-wave Infrared Photodetector Pixels
本文提出了一种基于导模共振和混合腔-导模共振的超紧凑中波红外光电探测器像素设计，通过在250 nm厚吸收区及横向限制光场，在深亚波长厚度下实现了约50%的外部量子效率，兼具低暗电流和室温运行优势。
2025-04-02 physics.app-ph physics.optics
Mid-infrared group-IV nanowire laser
针对III-V/II-VI族纳米线激光器与硅集成难、成本高且发射波长难超2微米的问题，本研究通过应变工程和优化腔设计，实现单根GeSn纳米线在2微米以上的单模激光发射，阈值低至5.3 kW cm-2，为硅兼容中红外光子集成电路提供了基础。
2025-02-14 physics.app-ph physics.optics
Recrystallization and Interdiffusion Processes in Laser-Annealed Strain-Relaxed Metastable Ge$_{0.89}$Sn0$_{.11}$
GeSn半导体在硅集成红外光电子学中的应用前景给这类材料的亚稳性带来了新的挑战。事实上，在GeSn器件的所有处理步骤中保持降低的热预算对于避免可能的材料退化是至关重要的。由于需要更高的Sn含量以及增强的应变弛豫以实现有效的中红外器件，这种约束加剧。在这里，作为一个低的热预算的解决方案，后外延处理，我们阐明了激光热退火（LTA）的影响，应变弛豫的锗$_{0.89}$锡0 $_{.11}$层和镍锗$_{0.89}$锡0 $_{.11}$接触。根据系统的显微组织研究，提出并讨论了关键的扩散和再结晶过程。在0.40 J/cm 2的能量密度下的LTA处理导致200-300 nm厚的层，其中Sn原子向表面偏析，并且在LTA影响区域中形成富含Sn的柱状结构。这些结构让人想起那些观察到的位错辅助管道扩散机制，而埋GeSn层保持完整。此外，通过调整LTA通量，可以降低接触电阻，而不会触发整个GeSn多层堆叠的相分离。事实上，一个数量级的减少，在镍基的特定接触电阻，在最高的LTA通量，从而证实了这种方法的直接带隙GeSn材料的功能化的潜力。
2021-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Integrated bolometric photodetectors based on transparent conductive oxides from near- to mid-infrared wavelengths
本文提出以透明导电氧化物为有源材料的波导集成测辐射热光电探测器，覆盖近红外至中红外，兼具CMOS兼容性，并在微瓦级输入下实现超过10 A/W的响应度。
2023-09-25 physics.app-ph physics.optics
Hybrid 2D-QD MoS2 PbSe Quantum Dot Broadband Photodetectors with High-Sensitivity and Room-Temperature Operation at 2.5 μm
宽带红外光电探测器在各种应用中具有深远的重要性，包括安全，气体传感，生物成像，食品质量光谱和回收，仅举几例。然而，这些应用目前可以通过昂贵的外延生长的光电探测器来服务，限制了它们的市场潜力和社会影响。胶体量子点（CQD）和二维材料的混合布局的使用是一个有吸引力的替代设计低成本CMOS兼容的红外光电探测器。然而，这些传统的混合探测器的光谱灵敏度已被限制到2.1微米。在此，我们提出了一种混合结构，包括二硫化钼与PbSe量子点，以扩展其灵敏度进一步向中波红外，高达3微米。我们实现了137.6 A/W的室温响应度和7.7 × 10^10琼斯在2.55 μ m的探测率，由于在二硫化钼和PbSe的界面处高效的光激发载流子分离，结合氧化物涂层以减少暗电流;最高值还为PbSe基混合器件。这些发现有力地支持了混合器件的成功制造，这可能为具有成本效益的，高性能的，下一代的新型光电探测器铺平道路。
2022-03-25 physics.app-ph
High-speed and high-responsivity hybrid silicon/black-phosphorus waveguide photodetectors at 2 μm
硅光子学正从用于光纤通信的1.3-1.5 μm近红外（near-IR）窗口扩展到2 μm或更长的中红外（mid-IR）波段，以满足许多应用中日益增长的需求。硅基中红外光波导探测器作为各种光子系统中不可缺少的器件之一，引起了人们的广泛关注。先前高性能的硅上波导光电探测器通过引入另一种半导体材料（例如，Ge和III-V族化合物）。不幸的是，这些传统的半导体材料对于~2 μm或更长的波长不能很好地工作，因为光吸收变得非常弱。作为替代方案，二维材料提供了一个新的和有前途的选择，使硅上的有源光子器件。在这里，黑磷（BP）薄膜与优化的介质厚度（~40 nm）作为光吸收的活性材料和硅/BP混合脊波导光电探测器被证明在低偏置电压下具有高的响应度。在2μm处实现了高达4.0Gbps的数据传输。
2018-11-05 physics.app-ph physics.ins-det
Room-temperature waveguide-integrated photodetector using bolometric effect for mid-infrared spectroscopy applications
本研究将测辐射热效应与锗的自由载流子吸收结合，基于绝缘体上锗PIC架构制备出室温非制冷波导集成中红外光电探测器，实现宽带高响应度，还完成了单芯片气态CO₂无标记传感，为CMOS兼容的中红外PIC提供方案。
2025-03-20 physics.app-ph physics.optics
A "Janus" double sided mid-IR photodetector based on a MIM architecture
我们提出了一个中红外（$λ\approx$ 8.3 $μ$ m）量子阱红外探测器（QNDT）的中红外透明基板上制造的，允许与照明从前表面或通过基板的光电探测。该器件是基于一个400 nm厚的GaAs/AlGaAs半导体异质结封装在一个金属-绝缘体-金属（MIM）腔和托管在中红外透明的ZnSe衬底。在有源区的两侧通过电子束光刻对称地图案化金属条。通过将条纹宽度L从L = 1.0 $μ$ m改变为L = 1.3 $μ$ m，检测器光谱覆盖范围从$λ\approx 7.15$ $μ$ m跨越到$λ\approx 8.7$ $μ$ m，从而对光学腔模式进行频率调谐。对该双端口系统进行了微红外被动光学表征和光电流测量。它们揭示了两个探测器端口的相似光谱响应，实验测量的T $_{BLIP}$为$\approx$ 200 K。
2021-08-05 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Transfer-printed multiple Ge$_{0.89}$Sn$_{0.11}$ membrane mid-infrared photodetectors
本文制备应变弛豫 Ge$_{0.89}$Sn$_{0.11}$ 薄膜，并通过单次转移印刷制造多个中红外光电探测器，使截止波长延至 $3.1\,μ$m、暗电流降低两个数量级。
2024-02-05 physics.app-ph physics.optics
Multiband strain balanced superlattice material system for third generation infrared detectors
本研究针对第三代红外探测器的应用需求，介绍了应变平衡超晶格（SLS）材料体系的发展背景，以及基于该体系的三色红外光电探测器的最新研究进展，为多色红外探测器件研发提供参考。
2024-05-14 physics.app-ph
Group IV Mid-Infrared Thermophotovoltaic Cells on Silicon
化合物半导体已经成为当前中红外热光伏器件的主要组成部分，这些器件与低于2000 K的热转换和功率聚束有关。然而，与这些技术相关的高昂成本限制了它们的广泛采用。在此，为了缓解这一挑战，我们介绍了一种全IV族中红外电池直接在硅晶片上的GeSn合金组成。这类新兴的半导体提供应变和成分作为控制带隙能量的自由度，从而覆盖整个中红外范围。建议的热光伏器件是由一个完全放松的Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$双异质结构对应的带隙能量为0.29 eV。一个理论框架推导出高注入下的电池性能评估。利用广义传输矩阵方法研究了相干/非相干混合层堆积对黑体辐射的吸收。此外，还考虑了本征复合机制及其在窄带隙半导体中的重要性。在这方面，抛物带近似和费米的黄金法则相结合的辐射复合率的准确估计。基于这些分析，功率转换效率高达9%的预测为Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$热光伏电池下黑体辐射在500-1500 K范围内的温度。在正面照明下观察到效率略有改善，但在800 K以下消失，而使用背面反射器提高了整个调查黑体温度范围内的效率。异质结的厚度，表面复合速度，和载流子寿命的影响也阐明和讨论。
2023-02-21 physics.app-ph
Ultra-fast quantum-well infared photodetectors operating at 10μm with flat response up to 70GHz at room temperature
基于子带间跃迁的III-V族半导体中红外光电探测器在高达数百GHz的超高速操作方面具有巨大的潜力。在这项工作中，我们利用~ 350 nm厚的GaAs/Al_（0.2）Ga_（0.8）As多量子阱异质结，在室温下，在10 μ m波长处实现了外差探测，其频率响应几乎平坦，最高可达70 GHz，仅受测量系统带宽的限制。这是迄今为止报道的量子阱中红外光电探测器的最宽RF带宽。在300 K和77 K下分别获得了0.15A/W和1.5A/W的响应率。为了允许超快操作和垂直入射的照明，检测器由50欧姆共面波导组成，该共面波导与亚波长天线的2D阵列单片集成，通过悬挂的电线电互连。利用这种器件结构，我们获得了~ 30 fF的寄生电容，对应于天线的静态电容，在300 K下产生了RC限制的3dB截止频率> 150 GHz，用小信号等效电路模型提取。使用这个模型，我们定量地再现检测器的频率响应，并找到在室温下低至1 ps的固有滚降时间常数。
2021-01-05 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Extrinsic Voltage Control of Carrier Lifetime in Polycrystalline PbSe Mid-wave IR Photo Detectors for Increased Detectivity
用于中波IR（MWIR）光电探测器的多晶PbSe是一种有吸引力的材料选择，这是由于高操作/环境温度操作以及相对简单和便宜的制造工艺，使其成为低功率和小占地面积应用的候选者，例如物联网（IoT）传感器和由于减少/消除主动冷却要求而在移动平台上的部署。然而，有许多材料的挑战，降低了这些探测器的探测能力。在这项工作中，我们证明，它是可能的，以改善后，通过外部调制导电载流子的寿命，通过施加背栅电压，可以控制所产生的载流子的复合率。我们首先描述的物理$PbSe$探测器，载流子传输的机制，以及长期观察到的导电载流子的寿命。然后，我们讨论了这些反向通道的电压控制，使用背板栅极调制这些载流子的寿命。这种电压控制代表了一种外在的“旋钮”，通过它可以为高性能红外光电探测器的设计开辟一条途径，如本文所示。
2020-07-06 physics.app-ph physics.optics
Intersubband Transitions in Lead Halide Perovskite-Based Quantum Wells for Mid-Infrared Detectors
由于其优异的光学和电学性能以及通用的生长和制造工艺，铅卤钙钛矿被广泛认为是绿色能源和光电相关应用的有前途的候选材料。在这里，我们研究其潜在的应用在红外波长的模拟卤化铅钙钛矿为基础的量子阱系统的子带间跃迁。通过求解一维薛定谔方程，计算了单阱和双阱结构的能级、波函数和子带间跃迁能.通过调整量子阱和势垒的厚度，我们能够调整子带间跃迁能量，以覆盖广泛的红外波长范围。我们还发现，铅卤化物钙钛矿基量子阱具有高的吸收系数，这是有益的，其潜在的应用在红外光电探测器。基于钙钛矿的量子阱系统的广泛可调谐的跃迁能量和高吸收系数，结合其独特的材料和电学性质，可以实现用于开发红外光电探测器的替代材料系统。
2023-02-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Enabling Highly Efficient Infrared Silicon Photodetectors via Disordered Metasurfaces with Upconversion Nanoparticles
本文提出将无序Mie-等离子体超表面与UCNPs集成，突破硅带隙限制，在1550 nm实现高响应红外探测并兼容CMOS。
2025-03-16 physics.app-ph physics.optics
Silicon-based Intermediate-band Infrared Photodetector realized by Te Hyperdoping
硅基光电探测器满足低成本和环境友好的标准，并可以使芯片上互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的光子系统的发展。然而，由于Si的固有带隙，将其室温光响应扩展到中波长红外（MWIR）区域仍然具有挑战性。在这里，我们报告了一个全面的研究，室温MWIR光电探测器的基础上硅超掺杂碲。实验结果表明，在1.0-1.9 μm波长范围内，该器件的光谱响应可达5 μm，探测性能略低于商用器件。我们还研究了背景噪声与Te超掺杂硅光电二极管灵敏度之间的相关性，发现在1 μm和1.55 μm处的最大室温比探测率分别为3.2 x 10^1/2 cmHz^{1/2} W ^{-1}和9.2 x 10^8 cmHz^{1/2}W^{-1}。这项工作有助于为建立一个在室温下工作的硅基宽带红外光子系统铺平道路。
2020-11-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Plasmonic antenna coupling to hyperbolic phonon-polaritons for sensitive and fast mid-infrared photodetection with graphene
集成和操纵范德华异质结构的纳米光电特性可以实现前所未有的光电探测和传感平台。红外光电探测器的主要挑战是将光汇集到一个小的纳米级有源区域，并有效地将其转换为电信号。在这里，我们通过将等离子体天线有效耦合到六边形BN中的双曲声子极化激元以将中红外线高度集中到石墨烯pn结中，在一个器件中克服了所有这些挑战。我们通过器件的几何形状来平衡石墨烯的吸收、导电性和导热性的相互作用。这种新方法产生了卓越的器件性能，具有室温高灵敏度（NEP为82 pW-per-square-root-Hz）和17纳秒的快速上升时间（设置限制）等，因此实现了目前最先进的石墨烯和商业中红外探测器中不存在的组合。我们还开发了一个多物理场模型，该模型与我们的实验结果具有良好的定量一致性，并揭示了对我们光响应的不同贡献，从而为进一步改进这些类型的光电探测器铺平了道路，甚至超出了中红外范围。
2020-05-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Multifunctional 2d infrared photodetectors enabled by asymmetric singular metasurfaces
本文提出在石墨烯上集成非对称奇异超表面，同时增强中红外吸收和结构非对称性，实现零偏置光电流，并展示高达200的偏振比及栅控偏振响应切换功能。
2025-05-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Mixing properties of room temperature patch-antenna receivers in a mid-infrared (9um) heterodyne system
介绍了一种基于高性能单极光电子器件的室温中红外外差系统。本机振荡器（LO）是一个量子级联激光器，而接收器是一个天线耦合的量子阱红外光电探测器优化操作在微腔配置。饱和强度的测量表明，这些接收器具有线性响应非常高的光功率，外差检测的一个基本特征。通过精确的本振无源稳定和最小化光反馈，系统在室温下达到了9 μ m处30 pW的噪声等效功率的记录值。最后，它表明，微波信号注入到我们的接收机移动的外差拍频的设备的带宽。这种混合特性是这些设备用于信号处理的独特的有价值的功能。
2019-07-11 physics.app-ph physics.ins-det
Waveguide-Integrated Mid-Infrared Photodetection using Graphene on a Scalable Chalcogenide Glass Platform
紧凑型和可现场应用的中红外（mid-IR）光谱设备的发展代表了从气体泄漏检测到环境监测的分布式传感的关键挑战。最近的工作集中在中红外光子集成电路（PIC）传感平台和波导集成的中红外光源和探测器的基础上的半导体，如碲化铅，黑磷和碲。然而，材料带隙和对SiO $_2$衬底的依赖性将操作限制在波长$λ\lesssim4\,μ\textrm{m}$。在这里，我们克服了这些挑战与硫族玻璃上的CaF $_2$ PIC架构，结合分裂栅光电热电石墨烯光电探测器。我们的设计扩展到$λ=5.2\,μ\textrm{m}$的约翰逊噪声限制噪声等效功率为$1.1\,\mathrm{nW}/\mathrm{Hz}^{1/2}$，光响应没有下降到$f = 1\,\mathrm{MHz}$，预测的3 dB带宽为$f_{3\textrm{dB}}>1\,\mathrm{GHz}$。该中红外PIC平台易于扩展到更长的波长，并为从分布式气体传感和便携式双梳光谱到耐候自由空间光通信的应用打开了大门。
2021-12-29 physics.app-ph physics.optics
Black phosphorus-based anisotropic absorption structure in the mid-infrared
黑磷（BP）是一种新兴的二维（2D）材料，具有迷人的光学性质，在光学和光子器件中形成了一种有前途的构建块。在这项工作中，我们提出了一个简单的结构，由聚合物和低折射率对比度的介电材料夹在BP，并通过在中红外的引导共振的临界耦合的数值演示了完美的吸收机制。由于BP固有的面内各向异性特征，所提出的结构表现出高度偏振相关的吸收特性，即，在相同波长下，该结构对TM偏振的光吸收达到99.9 $\%$，而对TE偏振的光吸收仅为3.2 $\%$。此外，通过调节BP的电子掺杂、结构的几何参数以及光的入射角，可以灵活地调节吸收峰和共振波长。该结构具有高效吸收、显著的各向异性、灵活的可调谐性和易于制作等优点，在设计中红外偏振选择性可调谐高性能器件如偏振器、调制器和光电探测器等方面具有广阔的应用前景。
2019-06-30 physics.app-ph physics.optics
Improvements of readout signal integrity in mid-infrared superconducting nanowire single photon detectors
Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）；Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院电子研究实验室）；Electrical and Computer Engineering, Northeastern University（东北大学电气与计算机工程系）
本文提出新型器件架构，通过阻抗匹配 taper 和超导纳米线雪崩光电探测器提升中红外波段读出信号信噪比，同时保持高内部探测效率和可扩展读出电子学。
2024-01-28 physics.app-ph physics.ins-det
Room temperature Si:S barrier infrared detector with broadband response up to 4.4μm
本文提出硫掺杂硅与能带势垒设计相结合的 Si:S 势垒红外探测器，通过分离暗电流与光电流抑制噪声并利用增益，实现室温下覆盖 1.12–4.4μm 的宽带响应，峰值量子效率达 2%，性能可比 III-V/IV-VI 探测器而成本仅千分之一。
2024-05-07 physics.app-ph
Radiative Carrier Lifetime in Ge$_{1-x}$Sn$_x$ Mid-Infrared Emitters
Ge $_{1-x}$ Sn $_x$半导体为大规模单片中红外光子学和光电子学奠定了基础。然而，尽管几个Ge $_{1-x}$ Sn $_x$基光电探测器和发射器的成功演示，该材料系统的关键基本属性尚未得到充分探索和理解。特别是，鲜为人知的是控制复合机制及其后果的载流子寿命的材料性能的作用。评估后者实际上充满了很大的不确定性，而研究窄带隙半导体的困难又加剧了这种不确定性。为了减轻这些限制，在这里，我们证明了辐射载流子寿命可以从直接的激发功率和温度依赖的光致发光测量。为此，引入了一个理论框架来模拟测量的光谱，通过结合从k.p理论和包络函数近似（EFA）的能带结构计算来估计吸收和自发发射。基于此模型，研究了$-1.3\%$在双轴压缩应变下Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$样品的温度相关发射。模拟的光谱准确地再现测量的数据，从而使稳态辐射载流子寿命的评估，这是发现在3-22 ns的范围内的温度在10和300 K之间，在0.9千瓦/厘米$^2$的激发功率。对于0.07 kW/cm $^2$的较低功率，所获得的寿命在4 K下具有1.9 ns的值。从简单的发射光谱产生的辐射寿命的证明方法将提供有价值的输入，以改善设计和建模的锗$_{1-x}$锡$_x$为基础的设备。
2023-02-09 physics.app-ph physics.optics
Electrical detection of hyperbolic phonon-polaritons in heterostructures of graphene and boron nitride
利用六方氮化硼的双曲声子-极化激元（HPP）可以在深亚波长尺度上控制中红外波段的光特性。当作为波导模式传播时，HPP可以将电场集中在选定的纳米体积中。这种行为是许多应用的核心，包括亚衍射成像和传感。在这里，我们采用HPPs在h-BN和石墨烯的异质结构作为新的纳米光电平台，通过结合石墨烯中的高效热载流子光转换和h-BN的双曲线性质的好处。我们证明了HPP的电检测引导他们走向石墨烯pn结。我们将激光束照射到异质结构下方金属栅极的间隙上，在那里光被转换为HPP。然后，HPP作为受限射线传播，加热石墨烯，导致强光电流。这一概念被用来提高中红外光电探测器的外部响应度，克服了石墨烯pn结探测器由于其小的有效面积和弱吸收而受到的限制。此外，由于HPP，这种类型的探测器具有可调的频率选择性，这与其高响应度相结合，为高效的高分辨率中红外成像铺平了道路。
2017-05-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
