High-Bandwidth Extended-SWIR GeSn Photodetectors on Silicon Achieving Ultrafast Broadband Spectroscopic Response
$2-2.5\,μ$ m波长范围内的高频脉冲发射器的可用性为超快光谱学、自由空间和光纤通信、监视和识别、人工智能和医学成像等领域的大量新应用铺平了道路。然而，开发这些新兴技术及其大规模使用取决于高速，低噪声和具有成本效益的光电探测器的可用性。从这个角度来看，在这里，我们展示了生长在硅片上的锗锡光电二极管，具有高宽带操作，覆盖了扩展的短波红外范围，在室温下的峰值响应度为0.3 A/W。这些GeSn器件表现出高带宽，达到7.5 GHz，在5 V的偏置与2.6 $μ$ m截止波长，和他们的集成在超快时间分辨光谱应用证明。除了能够在2.3 $μ$ m处实现时间分辨电致发光之外，GeSn探测器的高速操作还被用于诊断具有在2.5 $μ$ m处的皮秒范围内的时间分辨率的超连续谱激光的超短脉冲。建立这些能力突出了硅集成高速扩展SWIR应用的可制造GeSn光电二极管的潜力。
2021-11-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
0.08 fF, 0.72 nA dark current, 91% Quantum Efficiency, 38 Gb/s Nano-photodetector on a 45 nm CMOS Silicon-Photonic Platform
本文展示了一种基于45 nm CMOS硅光子平台的硅基锗纳米光电探测器，采用非对称法布里-珀罗谐振腔实现0.08 fF超低电容，在1315.5 nm波长下表现出0.72 nA低暗电流和38 Gb/s高速率。
2024-01-07 physics.app-ph physics.optics
Strain-Engineered High Responsivity MoTe2 Photodetector for Silicon Photonic Integrated Circuits
在集成光子学中，特定波长是优选的，诸如1550 nm，这是由于低损耗传输和在该光谱区域中的光学增益的可用性。对于基于芯片的光电探测器，分层的二维（2D）材料具有科学和技术相关的性质，由于诸如减少的库仑屏蔽或激子状态的效应，导致强的光-物质相互作用器件。然而，还没有实现使用2D材料的通信C波段中的高效光电探测器。在这里，我们展示了一种基于MoTe 2的光电探测器，其具有在1550 nm处工作的强光响应（响应度= 0.5 A/W），该光电探测器通过在光吸收过渡金属二硫属化物膜内设计应变（4%）来实现。我们表明，约4%的诱导拉伸应变减少了约0.2 eV的MoTe 2的带隙通过显微镜测量的功函数在整个设备。与依赖于无间隙能带结构的石墨烯光电探测器不同，这种半导体二维材料探测器显示出约100倍的改进暗电流，从而实现了仅为90 pW/Hz ^[0.5]的有效噪声等效功率。这种应变工程集成光电探测器为集成光电系统提供了新的机会。
2019-12-22 physics.app-ph physics.optics
Maximizing absorption in photon trapping ultra-fast silicon photodetectors
硅光电探测器在近红外波长下工作，具有高速和高灵敏度，对于新兴应用，如光探测和测距系统（LIDAR），量子通信和医学成像，变得至关重要。然而，这样的光电探测器在限制其实现的那些波长处呈现带宽-吸收权衡。光子捕获结构通过增强光-物质相互作用来解决这种权衡，但由于影响其设计和制造的多种因素，使其性能最大化仍然是一个挑战。本文研究了在提高运算速度的同时改善光子俘获效应的策略。通过优化光子捕获结构的设计，并将其实验集成在高速光电探测器中，同时实现了高达1000%的宽带吸收效率增强和超过50%的电容减少。这样的工作还允许提出经验方程，以将光电探测器的量子效率与光子捕获结构的物理性质、材料特性和制造技术的限制相关联。所得结果为设计高性价比的CMOS集成电路开辟了道路。
2020-12-22 physics.app-ph physics.optics
Compact Graphene Plasmonic Slot Photodetector on Silicon-on-insulator with High Responsivity
石墨烯具有非凡的电光特性，因此是单片光子器件如光电探测器的有前途的候选者。然而，这种原子薄层材料与大体积光子组件的集成通常导致弱的光-石墨烯相互作用，导致限制电光性能的大器件长度。相比之下，在这里，我们展示了一个等离子体狭缝石墨烯光电探测器上的硅绝缘体平台具有高响应度的5微米短的设备长度。我们观察到，最大的光电流，因此最高的响应度，规模与槽隙宽度成反比。使用双光刻步骤，我们实现了15 nm的窄槽，与光子石墨烯光电探测器相比，每单位设备长度的响应度高出15倍。此外，我们揭示了背栅静电被这种超短沟道石墨烯光电探测器的接触引起的沟道掺杂贡献所掩盖。这导致准电荷中性，这解释了相对于石墨烯狄拉克点的最大基于光电流的光电流和观察到的非双极传输之间的先前未看到的偏移。这种微米紧凑和吸收效率高的光电探测器允许下一代光子元件中的短载流子路径，同时也是研究石墨烯光电子学中短沟道载流子物理的理想测试平台。
2018-11-14 physics.app-ph physics.optics
Photodetector Focal Plane Arrays Integrated with Silicon Micropyramidal Structures in MWIR
本文将54.7度截顶硅微锥聚光阵列与PtSi肖特基势垒光电探测器单片集成，实验表明其可使中波红外器件信号最高增强4倍。
2023-09-26 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
High-performance silicon-graphene hybrid plasmonic waveguide photodetectors beyond 1.55 μm
提出并实现了一种1.55 μm以上的快速硅-石墨烯混合等离子体波导光电探测器。通过这种新颖的设计，石墨烯中的光吸收增强，同时金属吸收损耗降低，这有助于大大提高响应度以及缩短吸收区域以实现快速响应。此外，金属-石墨烯-金属夹层电极的引入，以减少金属-石墨烯的接触电阻，这也有助于提高响应速度。当探测器工作在2 μm时，测量的3dB带宽大于20 GHz（这受到实验装置的限制），而根据测量的S11提取的参数由等效电路计算的3dB带宽高达~100 GHz。据我们所知，这是第一次报道的波导光电探测器在2 μm，3dB带宽超过20 GHz。此外，目前的光电探测器在1.55 μm处也工作得很好。对于0.16 mW的光功率，在-0.3V的偏置电压下，测得的响应度约为0.4A/W，而测得的3dB带宽超过40 GHz（受测试设置限制），并且从等效电路估计的3dB带宽也高达~100 GHz，这是1.55 μm硅石墨烯光电探测器报告的最佳结果之一。
2019-07-18 physics.app-ph physics.optics
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
Graphene-Silicon-On-Insulator (GSOI) Schottky Diode Photodetectors
石墨烯-硅（GS）肖特基结已被证明是用于光电探测的有效结构。然而，对于波长$λ>$ 500 nm，这种用于自由空间光检测的装置的响应速度迄今为止被限制在10 -100 kHz。在这里，我们展示了石墨烯-硅肖特基结光电探测器上的绝缘体上硅衬底（SOI）的响应速度接近1 GHz，归因于光活性硅层的厚度减少到10 $μ$ m，并与它的速度限制扩散电流的抑制。石墨烯-硅-绝缘体光电探测器（GSOI-PD）的响应速度上的波长的影响可以忽略不计，只有一个适度的妥协，在体硅上制作的GS结的响应率相比。在室温下，GSOI光电探测器的噪声等效功率（NEP）和比探测率（$^*$）分别为14.5pW和7.83 $\times10^{\rm{10}}$ cm Hz $^{\rm{1/2}}$ W $^{\rm{-1}}$.我们进一步证明，GSOI-PD与通过修改表面形貌形成的微光学元件相结合，使工程的光谱和角度响应。
2018-06-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
A high-performance all-silicon photodetector enabling telecom-wavelength detection at room temperature
本文提出一种室温工作于C波段的全硅波导耦合光电探测器，通过近固溶度极限深能级掺杂实现子带隙吸收，性能满足电信应用并支持硅基PIC单片集成。
2025-08-31 physics.app-ph physics.optics
Laser-microstructured ZnO/p-Si photodetector with enhanced and broadband responsivity across the UV-Vis-NIR
我们利用原子层沉积法（ALD）在激光微结构硅衬底上制备ZnO薄膜，研制了ZnO/p-Si光电探测器，并研究了它们的电学和光学特性。在SF6气体中，用ns激光辐照p型硅，在硅表面形成了准有序的、均匀的微尖峰结构。被照射的硅含有硫杂质，这将其吸收扩展到近红外。ZnO的薄膜通过ALD共形地沉积在微结构化硅衬底上。光致发光测量表明退火后的ZnO薄膜的高结晶质量。电流-电压（I-V）测量的ZnO/p-Si异质结二极管在黑暗中显示出一个非线性的行为与不寻常的高电流值在反向偏置。在照明光电流观察反向偏置，甚至低于硅带隙的激光微结构光电探测器的情况下的波长。与平面光电探测器相比，微结构光电探测器测得更高的电流值。光电导测量表明，由于其增加的表面积和光吸收，激光微结构化器件在UV-Vis-NIR光谱范围内的响应度增强。
2020-10-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Vertically-Illuminated, Resonant-Cavity-Enhanced, Graphene-Silicon Schottky Photodetectors
我们报告垂直照明，谐振腔增强，石墨烯硅肖特基光电探测器（PD）工作在1550 nm。这些利用石墨烯-Si界面处的内部光电发射。为了获得光谱选择性并增强响应度，PD与光学腔集成，从而在共振时产生多次反射，并增强石墨烯的吸收。我们的器件具有依赖于波长的光响应，外部（内部）响应度~ 20 mA/W（0.25A/W）。可以通过改变腔谐振波长来进一步调谐光谱选择性。我们的器件为开发用于自由空间光通信、相干光学断层扫描和光雷达的高响应度混合石墨烯-Si自由空间照明PD铺平了道路
2017-07-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
High-sensitive MIS structures with silicon nanocrystals grown via solid-state dewetting of silicon-on-insulator for solar cell and photodetector applications
报道了一种新颖的方法，用于制备金属-绝缘体-半导体（MIS）结构，该结构具有嵌入在绝缘SiO2氧化物中的基于硅纳米晶（SiNCs）的有源层，可用于高性能太阳能电池和光电探测器应用。利用固态源分子束外延（SSMBE）生长的超纯非晶绝缘体上硅（a-SOI）材料，通过原位固态去湿制备了硅纳米晶。通过改变硅的沉积厚度来精确地调节Si NC的尺寸和密度。利用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对纳米硅的形貌进行了表征，结果表明纳米硅具有均匀的尺寸和良好的球形，密度可达1012/cm 2（与纳米硅厚度的平方成反比）。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）的结构研究表明，所制备的超小硅纳米碳（平均直径约7 nm）是单晶的，没有结构缺陷。通过对基于Si-NC的MIS结构的电流对电压（I-V）和光电流光谱进行的电测量证明了Si NC增强MIS结构中的导电性和经由MIS结构中的附加电子-空穴对的光生作用来增加光电流（即，在偏置电压V =-1V时）（X 10倍）的效率。这些结果表明，通过MBE生长和固态去湿相结合获得的硅纳米碳非常适合于开发与CMOS工艺兼容的新型高性能光电子器件。
2023-02-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Visible and infrared photocurrent enhancement in a graphene-silicon Schottky photodetector through surface-states and electric field engineering
高效的石墨烯-硅（GSi）肖特基结光电探测器的设计需要详细了解的光响应的空间起源。扫描光电流显微镜（SPM）的研究已经进行了在可见光波长区域，其中由于硅的响应是占主导地位的。在这里，我们提出了比较SPM的研究，在可见光（$λ$ = 633 nm）和红外（$λ$ = 1550 nm）波长区域的GSi肖特基结光电探测器架构的数量，揭示了硅和石墨烯为主的响应，分别的光响应机制，并证明了静电对设备性能的影响。与石墨烯-硅结的本体相比，石墨烯边缘处的局部电场增强导致光响应增加十倍以上。这种石墨烯边缘的有意设计和图案化被证明是提高器件整体光响应的有效策略。补充模拟和建模阐明了观察到的效果，并强调了在器件设计中考虑石墨烯的形状和图案以及器件几何形状的重要性。
2019-01-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Broadband Waveguide-Coupled Photodetectors in a Submicrometer-Wavelength Silicon Photonics Platform
本文报道在代工厂制造的短波长硅光子学平台中单片集成的波导耦合光电探测器，两种变体覆盖400–955 nm，并实现高效率、低暗电流、18 GHz带宽及374 GHz增益带宽积。
2025-09-27 physics.app-ph physics.optics
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
Towards Substrate Engineering of Graphene-Silicon Schottky Diode Photodetectors
石墨烯-硅肖特基二极管光电探测器具有诸如高响应率和高探测率、宽光谱波长操作和高操作速度的有益特性。过去已经采用各种路线和架构来制造器件。器件通常基于在将石墨烯沉积在硅的顶部上以形成石墨烯-硅肖特基结之前通过湿法蚀刻去除硅表面上的氧化硅层。在这项工作中，我们系统地研究了界面氧化层，所采用的制造技术和硅衬底上的石墨烯-硅肖特基二极管光电探测器的光探测能力的影响。在从近紫外到短/中红外辐射的宽波长范围内，辐射强度覆盖超过五个数量级，以及高速操作的设备的适用性的设备的性能进行了研究。结果表明，界面层，根据所需的应用，实际上是有益的，以提高这种设备的光电探测性能。此外，我们证明了硅衬底上的光谱响应和操作速度的影响。所制造的器件在从近UV到短/中红外（热）波长范围的宽光谱波长范围内工作，表现出接近10 $^6$ V/W的高光电压响应和几十纳秒的短上升和下降时间。
2017-06-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Platform-agnostic waveguide integration of high-speed photodetectors with evaporated tellurium thin films
由于固有的材料不兼容性和缺乏工艺可扩展性，许多有吸引力的光子平台仍然缺乏集成光电探测器，从而阻止了它们的广泛部署。在这里，我们解决的问题，可扩展的集成光电探测器在一个光子平台无关的方式。利用热蒸发和沉积技术开发的纳米电子学，我们表明，碲（Te），准二维半导体元素，可以在低温下直接蒸发到光子芯片上，形成空气稳定，高响应，高速，超宽带光电探测器。我们展示了在可见光，电信和中红外波长的检测，超过40 GHz的带宽，以及与硅，氮化硅和锂的光子结构的平台无关的可扩展集成。
2022-09-08 physics.app-ph physics.optics
Miniaturizing Color-Sensitive Photodetectors via Hybrid Nanoantennas towards Sub-micron Dimensions
数码相机传感器利用光电二极管上的滤色器来实现颜色选择性。由于滤色器和光敏硅层是独立的元件，因此这些传感器会受到光学串扰的影响，这对最小像素尺寸造成了限制。在本文中，我们报告了混合硅铝纳米结构的颜色过滤器和传感器之间的零距离的极限。这种设计基本上可以实现亚微米像素尺寸，并最小化源自倾斜照明的光学串扰。所设计的杂化硅铝纳米结构具有双重功能。最重要的是，它支持磁偶极子的混合Mie等离子体共振，以实现颜色选择性光吸收，产生电子空穴对。同时，硅-铝界面形成用于电荷分离和光电探测的肖特基势垒。这种设计可能会取代传统的染料基过滤器的相机传感器在超高像素密度与先进的功能，在传感偏振和方向性，以及紫外线的选择性通过带间等离子体的硅。
2022-06-07 physics.app-ph physics.optics
High-responsivity MoS$_2$ hot-electron telecom-band photodetector integrated with microring resonator
报道了一种基于金-钼$_2$结与氮化硅微谐振器（MRR）集成的高响应热电子光电探测器，用于探测电信波段的光。氮化硅MRR的倏逝场与Au-MoS $_2$肖特基结区的耦合增强了热电子注入效率。该器件在1516 nm波长处具有154.6 mA W-1的高响应率，在1500 nm-1630 nm波长范围内具有均匀的响应率。这种MRR增强的二硫化钼热电子光电探测器为集成光电系统提供了可能性。
2022-07-02 physics.app-ph physics.optics physics.plasm-ph
Waveguide-Coupled Mid-Infrared GeSn Membrane Photodetectors on Silicon-on-Insulator
本研究通过转印将应变弛豫 GeSn 薄膜集成于绝缘体上硅波导，实现室温至 3.1 μm 的中红外探测器，并验证其高性能与可扩展制造。
2025-07-25 physics.app-ph physics.optics
Plasmon-enhanced graphene photodetector with CMOS-compatible titanium nitride
石墨烯已经成为用于片上光电探测器应用的超快光电材料。石墨烯的2D性质使其能够与互补金属氧化物半导体（CMOS）微电子和硅光子轻松集成，但石墨烯仅吸收$\sim$ 2.3%的光。等离子体金属可以增强石墨烯光电探测器的响应度，但可能导致CMOS不兼容的器件，这取决于金属的选择。在这里，我们提出了一个等离子体增强的光电热电石墨烯探测器，使用CMOS兼容的氮化钛（TiN）的绝缘体上硅（SOI）平台。器件性能通过其响应度、操作速度和噪声等效功率来量化。其带宽超过100 $\,$ GHz，并且在电信C波段上表现出几乎平坦的光响应。在3.5 $\,μ$ m的超紧凑长度下，光电探测器响应度高达1.4 $\,$ A/W（1.1 $\,$ A/W外部），这是所报道的石墨烯基波导光电探测器的最紧凑的覆盖区。此外，它工作在零偏置，消耗零能量，并具有超低的固有噪声等效功率（NEP $\,$ < $\,25\:\text{pW/}\sqrt{\text{Hz}}$）
2020-11-29 physics.app-ph physics.optics
Wafer-Scale Growth of Sb2Te3 Films via Low-Temperature ALD for Self-Powered Photodetector
利用p型碲化锑（Sb 2 Te 3）薄膜与n型硅（Si）衬底之间的垂直p-n异质结，设计了一种硅兼容的高性能自供电光电探测器，实现了从可见光（405 nm）到近红外光（1550 nm）的宽探测范围。通过在80 °C下使用（Et 3Si）2 Te和SbCl 3作为前体的原子层沉积，获得了具有良好晶体质量、低扩展缺陷密度、适当化学计量、p型性质和在4英寸晶片上优异均匀性的Sb 2 Te 3膜。经过处理的光电探测器具有低暗电流（~20 pA）、高响应度（在405 nm处~4.3安培/瓦，在~1550 nm处~150毫安/瓦）、峰值探测率~1.65*10^14琼斯，以及零偏压下~98 us的快速上升时间。密度泛函理论计算揭示了一个狭窄的，近直接的，II型带隙的异质界面，支持强大的内置电场，导致有效的光生载流子的分离。这些器件具有长期的空气稳定性和高效的开关性能，即使在高温下也是如此。这些高性能的自供电p-Sb 2 Te 3/n-Si异质结光电探测器具有巨大的潜力，可以成为下一代光电子学、硅光子学、芯片级传感和检测等众多创新应用的可靠技术构建模块。
2022-10-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Record high bandwidth integrated graphene photodetectors for communication beyond 180 Gb/s
我们报告最快的硅波导集成光电探测器的带宽大于128 GHz的超快光通信。光电探测器基于CVD石墨烯，与晶圆级生产方法兼容。
2018-04-26 physics.app-ph
Nano-Subsidence Assisted Precise Integration of Patterned Two-Dimensional Materials for High-Performance Photodetector Arrays
针对二维材料在非平坦衬底上集成困难的问题，提出基于纳米沉降的新型制备方法，实现了微图案化二维材料/硅光电二极管阵列的精确可靠集成，器件峰值灵敏度和外部量子效率优于多数商用产品，为超越硅的微电子学提供可行路径。
2023-06-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Integrated Avalanche Photodetectors for Visible Light
集成光电探测器是量子和经典应用的可扩展光子学平台的重要组成部分。然而，迄今为止，在开发这种设备方面的大多数努力都集中在红外电信波长上。在这里，我们报告了第一个单片集成雪崩光电探测器（APD）的可见光。我们的设备是基于一个新的端射输入耦合到氮化硅波导掺杂硅脊形波导。我们证明了一个高增益带宽产品的216 $\pm$ 12 GHz，在20 V的反向偏置测量685 nm的输入光，与0.12 $μ$ A的低暗电流。与其他在红外范围内工作的集成APD相比，该性能极具竞争力。凭借CMOS兼容制造和与氮化硅平台的可集成性，我们的器件对于传感和通信中的可见光光子学应用具有吸引力。
2020-09-03 physics.app-ph physics.ins-det
Broadband wavelength-selective isotype heterojunction n+-ZnO/n-Si photodetector with variable polarity
研制了一种n+-ZnO/n-Si异质结光电探测器，该器件具有波长选择性或宽带工作特性，取决于外加偏压。此外，在自供电（零偏置）操作时，它通过光电流的极性控制来区分UV、可见光和近红外（NIR）光子。光电探测器是通过在n-Si上原子层沉积（ALD）ZnO，然后进行电接触沉积和退火来开发的。光致发光测量显示高的光学质量和改善退火的硅上的ZnO的结晶度。作为照明波长和偏置电压的函数的光电流测量示出在UV-可见光谱范围中在零和正偏置电压处的小负值和在NIR光谱范围中的高正值。对于这些测量，我们认为电接触到ZnO作为阳极和电接触到硅作为阴极。在负偏置电压下，该器件显示出宽带操作，在UV-vis-NIR上具有高光电流值。
2022-02-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Extended-SWIR High-Speed All-GeSn PIN Photodetectors on Silicon
本研究提出并制备了一种硅基垂直全GeSn PIN光电探测器，通过阶梯渐变温度控制外延协议生长异质结构，实现了12.4 GHz的高带宽和0.24 A/W的高响应度，覆盖整个e-SWIR范围，解决了传统III-V族器件在硅上集成困难的问题。
2024-01-05 physics.app-ph physics.optics
Recent Progress and Future Prospects of 2D-based Photodetectors
传统的半导体，如硅和InGaAs基光电探测器，在现代电子学和光子学中遇到了光谱覆盖、低分辨率、不透明、不灵活和CMOS不兼容性方面的瓶颈。然而，新出现的2D材料，如石墨烯、TMD及其混合系统，可以规避所有这些问题，受益于机械灵活性、非凡的电子和光学特性以及晶圆级生产和集成。基于异质结的光电二极管基于2D材料，可提供从可见光到远红外范围的超快和宽带响应。基于2D混合系统的光电晶体管与其他材料平台（例如量子点、钙钛矿、有机材料或等离子体纳米结构）相结合产生超灵敏和宽带光检测能力。值得注意的是，2D光电探测器在硅光子或CMOS平台上的轻松集成为高性能、低成本、宽带传感和成像模式铺平了道路。
2019-04-23 physics.app-ph
MoSe2/WS2 heterojunction photodiode integrated with a silicon nitride waveguide for visible light detection with high responsivity
我们通过实验证明了基于氮化硅波导顶部的MoSe 2/WS 2异质结的集成的可见光和近红外光谱区的芯片级集成光电探测器的实现和表征。这种配置在780 nm的波长下实现了~1 A/W的高响应度（指示内部增益机制），同时将暗电流抑制到~50 pA的水平，与仅MoSe 2而没有WS 2的参考样品相比低得多。我们测量到暗电流的功率谱密度低至约1 × 10 ^-12 A/Hz ^[0.5]，从中我们提取出噪声等效功率（NEP）约为1 × 10 ^-12 W/Hz ^[0.5]。为了证明该设备的有用性，我们使用它的表征的微谐振器，集成在同一芯片上的光电探测器的传递函数。在芯片上集成本地光电探测器并在可见光和近红外区域以高性能操作此类器件的能力预计将在光通信、量子光子学、生物化学传感等领域的未来集成器件中发挥关键作用。
2021-12-16 physics.app-ph physics.optics
High-responsivity graphene photodetectors integrated on silicon microring resonators
石墨烯集成光子学提供优于常规Si光子学的若干优点。单层石墨烯（SLG）能够实现快速、宽带和节能的电光调制器、光开关和光电探测器（GPD），并与任何光波导兼容。基于SLG的光接收器的最后一个主要障碍在于，与传统PD相比，GPD的响应度（每光输入的电输出）较低。在这里，我们克服了这一不足，通过集成的光热电GPD与硅微谐振器。在临界耦合下，我们在沿着Si波导的$\sim$ 6 $μ$ m SLG通道中实现了$>$ 90%的光吸收。利用腔增强的光-物质相互作用，在$\sim$ 0.6 mW的输入功率下，使SLG中的载流子温度达到$\sim$ 400 K，得到了$\sim$ 90 V/W的电压响应，证明了该方法的可行性.我们的器件能够检测高达20 Gbit/s的数据速率，接收器灵敏度使其能够以10 $^{-9}$的误码率工作，与成熟的半导体技术不相上下。与传统的基于斩波器的接收器相比，电压而不是电流的自然生成消除了对跨谐放大的需要，降低了每比特能量成本和占用空间。
2020-07-06 physics.app-ph
Schottky photodetectors with transparent conductive oxides for photonic integrated circuits
针对硅光子学在电信波段探测低效且缓慢的问题，本文提出硅与掺杂透明氧化物构成 ENZ 肖特基结，并设计优化的 AZO/Si 狭缝波导探测器，使效率由约几个百分点提升至几十百分点。
2023-11-03 physics.app-ph physics.optics
All-Group IV membrane room-temperature mid-infrared photodetector
应变工程已经成为一种普遍存在的范例，以定制电子能带结构和利用相关的新的或增强的基本性质的半导体。在这方面，半导体膜作为一种多功能的纳米级材料出现，以控制晶格应变和设计复杂的异质结构，从而导致各种创新应用的发展。在这里，我们利用这个准二维平台来同时调整IV族GeSn半导体合金的晶格参数和带隙能量。随着Sn含量增加以达到直接带隙，这些半导体变得亚稳态并且通常压缩应变。我们发现，GeSn膜的释放和转移导致了显着的弛豫，从而扩展了吸收波长范围更深的中红外。将完全释放的Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$膜集成在硅上，并用于制造在室温下工作的宽带光电探测器，其记录波长截止为4.6 $μ$ m，而不损害在低至2.3 $μ$ m的较短波长下的性能。这些膜器件的特征在于暗电流的两个数量级的减少相比，从生长的应变外延层处理的设备。后者在2.6-3.5 $μ$ m范围内表现出含量依赖性的较短波长截止，从而突出了晶格应变弛豫在形成膜光电探测器的光谱响应中的作用。这种设计所有IV族可转移中红外光电探测器的能力为利用这些集成的硅兼容应变弛豫GeSn膜实现可扩展和灵活的传感和成像技术奠定了基础。
2020-08-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Graphene photodetector integrated on a photonic crystal defect waveguide
提出了一种基于硅光子晶体缺陷波导的石墨烯光电探测器。光子结构用于将传播光限制在石墨烯层中的狭窄区域中以增强光-物质相互作用。此外，它被用作分裂栅电极，以在光吸收区附近创建pn结。光子晶体缺陷波导允许石墨烯中发生的温度分布到光电压的最佳光电转换，这是由于波导两侧上的附加硅板，与传统的槽波导设计相比，增强了器件响应。实现了4.7 V/W的光响应度和18 GHz的电带宽（设置限制）。在0.4V的中等偏压下，获得了0.17A/W的光电导响应。
2019-03-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Two-dimensional Platinum Diselenide Waveguide-Integrated Infrared Photodetectors
用于硅（Si）光子学的低成本、易于集成的光电探测器（PD）仍然是光子集成电路（PIC）的瓶颈，特别是对于1.8 $μ$ m以上的波长。多层二硒化铂（PtSe $_2$）是一种半金属二维（2D）材料，其可以在低于450 $°$ C下合成。我们直接在硅波导上共形生长PtSe $_2$基PD。PD在1550 nm波长下工作，最大响应率为11 mA/W，响应时间低于8.4 $μ$ s。在1.25 $μ$ m至28 $μ$ m波长范围内的傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明PtSe $_2$适用于远至红外波长范围内的PD。我们通过直接生长集成的PtSe $_2$ PD优于通过标准2D层转移制造的PtSe $_2$ PD。PtSe $_2$具有红外响应性、化学稳定性、低温下的选择性和保形生长以及高载流子迁移率的潜力，使其成为一种有吸引力的光电子和PIC二维材料。
2022-03-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector at telecom band with high speed and high responsivity
二维过渡金属二硫属化合物（transition metal dichalcogenides，TMDC）由于其强的光-物质相互作用和独特的材料特性，一直致力于开发新型光电子器件。特别是，具有高速和高响应性能的光电探测器对于大量的应用，例如在标准化电信波长下操作的高数据速率互连，具有极大的兴趣。然而，TMDC固有的小载流子迁移率成为高速应用的瓶颈。在这里，我们提出了高性能的垂直范德华异质结为基础的光电探测器集成在硅光子平台。我们的垂直MoTe 2/石墨烯异质结构设计最大限度地减少了TMDC中的载流子传输路径长度，并在-3伏的中等偏置电压下实现了至少24 GHz的创纪录测量带宽。应用更高的偏置或采用更薄的MoTe 2薄片可以将带宽提高到50 GHz。同时，得益于集成波导设计，我们的器件对1300 nm入射光的外部响应度达到0.2A/W。我们的研究揭示了性能的权衡和快速，高效的设备目前的设计准则。二维异质结和集成导波纳米光子学的结合为实现高性能光电子器件，如光电探测器、发光器件和电光调制器提供了一个有吸引力的平台。
2019-04-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Single-Chip Silicon Photonic Processor for Analog Optical and Microwave Signals
本文提出首个基于硅光子电路的全片上信号处理器，可生成、检测并编程模拟光与射频信号，集成调制器、滤波器、探测器及可调激光器，为紧凑微波光子学迈出关键一步。
2023-11-15 physics.app-ph physics.optics
Polarization-sensitive GeSn Mid-Infrared Membrane Photodetectors with Integrated Plasmonic Metasurface
针对中红外光电子需求，本文展示集成Au等离子体超表面的转移印刷Ge₀.₈₉Sn₀.₁₁薄膜光电探测器，实现3.0μm以上截止波长、2.5μm响应度提升近四倍及4:1偏振对比度，且可通过超表面尺度调谐工作波长，实验与模拟吻合。
2025-11-18 physics.app-ph physics.optics
Fast and Efficient Type-II Phototransistors Integrated on Silicon
本文提出硅上异质集成的锑基II型HPT，以低结电容实现低光功率下高GBP，效率较硅上APD提升约一个数量级，并验证高密度、低能耗光接收。
2023-11-07 physics.app-ph physics.ins-det
Two-Dimensional Material Based Photodetector for Near Infrared Detection
针对本征石墨烯带隙限制导致红外探测不足的问题，本文提出石墨烯/金属插层石墨烯光电探测器，并结合CVD生长、湿法转移和锥形铝微电极实现室温近红外探测。
2025-02-15 physics.app-ph physics.optics
Nonlocal, Flat Band Meta-optics for Monolithic, High Efficiency, Compact Photodetectors
针对小型化光电探测器缩尺寸与保效率的矛盾，本研究利用平带超构光学实现宽入射角高吸收，使单片硅基超构光电二极管效率提升约10倍，为紧凑高效光电器件开辟新路径。
2023-12-08 physics.app-ph physics.optics
A high-speed heterogeneous lithium tantalate silicon photonics platform
本文首次在不改动标准硅光子PDK的前提下将钽酸锂集成于硅光子芯片，实现3.5 V半波电压、2.9 dB插入损耗和逾70 GHz带宽。
2025-03-14 physics.app-ph physics.optics
Optimization of light trapping micro-hole structure for high-speed high-efficiency silicon photodiodes
我们在800- 950 nm波长的快速硅光电探测器中优化了薄板中的微孔。横向模式被证明是负责有效的光捕获。小的无序和锥孔形状有助于在宽的波长范围内实现均匀的量子效率。
2018-08-29 physics.app-ph
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
Graphene-based Photodetector with Engineered Hot Carrier Cooling Dynamics
Imec；Ghent University–imec（根特大学-imec）；Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), CSIC and BIST（加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所（ICN2），西班牙高等科学研究委员会和巴塞尔研究所）；TU Eindhoven（埃因霍温理工大学）；Utrecht University（乌得勒支大学）；The University of Manchester（曼彻斯特大学）
通过在WSe2-石墨烯-WSe2波导集成光电探测器中引入石墨层的邻近屏蔽，延长热载流子冷却时间，从而将内部光响应度提高约50%。
2026-05-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
On-chip lateral Si:Te PIN photodiodes for room-temperature detection in the telecom optical wavelength bands
本文首次实验展示了横向 Te 超掺杂 Si PIN 光电二极管在室温电信波段工作，并详细描述了其制造工艺、工作原理与性能，为在单一硅芯片上利用平面 CMOS 技术集成有源和无源光子元件提供了有前景的方案。
2023-05-02 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
UV/Near-IR dual band photodetector based on p-GaN/α-In2Se3 heterojunction
在这篇报告中，我们展示了双带垂直异质结光电探测器实现集成α-In 2Se 3与p型GAN。在硅衬底上MOCVD生长的p-GaN上剥离约110 nm厚的薄片。器件的光谱响应有两个明显的检测峰，一个在365 nm，另一个在850 nm，分别对应于GAN和α-In 2Se 3的带边，在可见光范围内有很大的抑制。对于-3V的偏压，在365 nm和850 nm处的归一化响应度值均为~70 mA/W，光暗电流比依次为~665和~75。该器件还显示出快速瞬态响应，没有持续光电导（PPC）。在365 nm和850 nm处的照明下，估计的比探测率值分别为约10^11琼斯和约10^10琼斯。在365 nm处的光谱响应度的功率相关分析中观察到~0.4的良好线性。还研究了退火后的器件性能。该研究有望为直接带隙层状材料如α-In 2 Se 3与宽带隙半导体的集成，开发新型光电子器件铺平道路。
2020-08-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
Avalanche Photodetectors with Photon Trapping Structures for Biomedical Imaging Applications
在整个可见光范围内增强光电探测器中的光子探测效率和时间分辨率对于提高基于飞行时间（TOF）的成像系统和荧光寿命成像（FLIM）的图像质量至关重要。在这项工作中，我们评估的增益，检测效率，和雪崩光电二极管（APD）与光子捕获纳米结构的光子与450和850 nm波长的定时性能。在850 nm波长下，我们的光子捕获雪崩光电二极管显示出30倍的增益，从16%增加到>60%的增强吸收效率，以及接近击穿电压的半峰全宽（FWHM）脉冲响应时间减少50%。在450 nm波长处，外量子效率从54%提高到82%，而增益提高了20倍以上。因此，与对照器件相比，具有光子捕获结构的硅APD的吸收显著增加。结果表明，可以制造具有快速定时特性和近紫外和近红外区域之间高吸收的非常薄的设备，用于生物医学成像中的高速应用。这项研究为获得具有光子捕获结构的单光子探测器铺平了道路，在整个可见光范围内增益超过10^6
2021-04-27 eess.IV physics.app-ph physics.optics
Photo Thermal Effect Graphene Detector Featuring 105 Gbit s-1 NRZ and 120 Gbit s-1 PAM4 Direct Detection
下一代光通信和电信通信面临的挑战是增加可用带宽，同时减小光子集成电路的尺寸、成本和功耗。硅（Si）光子学已经成为实现这些目标的可行解决方案。石墨烯是一种单原子厚的碳5层，由于其非常高的迁移率，快速的载流子动力学和超宽带光学特性，最近已被提议与Si光子学集成。在这里，我们专注于用于高速通信和电信应用的石墨烯光电探测器。到目前为止，已经展示了高速石墨烯光电探测器，但是大多数都是基于光测辐射热（PB）或光电导（PC）效应。这些器件的特征是具有毫安量级的大暗电流，这对光接收器设计造成损害，光热电（PTE）效应已被确定为光检测的替代现象。基于PTE的光电探测器的主要优点是光功率到电压转换、零偏压操作和超快响应。基于石墨烯PTE的光电探测器已经在文献中报道，然而高速光信号检测尚未示出。在这里，我们报告了一种优化的石墨烯PTE光电探测器，其平坦的频率响应高达65 GHz。由于优化的设计，我们演示了一个系统测试，导致直接检测105 Gbit s-1非归零（NRZ）和120 Gbit s-1 4级脉冲幅度调制（PAM）光信号
2020-06-02 physics.app-ph physics.optics
A silicon integrated microwave photonic beamformer
基于光真时间延迟线（OTTDL）的光波束形成网络（OBFN）是解决传统相控阵天线（PAA）波束偏斜带来的带宽限制的有效途径。在这里，我们报告了第一个单片1x 8微波光子波束形成器的基础上，可切换OTTDL的绝缘体上硅平台。该芯片由一个调制器、一个8通道OBFN和8个光电探测器组成，总共包括数百个有源和无源元件。它具有从8到18 GHz的宽工作带宽，比电子PAA大近两个数量级。基于具有测量的RF响应的波束图案计算，波束可以被转向到-75.51°至75.64°范围内的31个可区分的角度。光束转向的响应时间为56 μs。这些结果代表了实现集成微波光子波束形成器的重要一步，可以满足未来雷达和无线通信系统的紧凑尺寸和低功耗要求。
2020-08-02 physics.app-ph physics.optics
A High-Speed Waveguide Integrated InSe Photodetector on SiN Photonics for NIR Applications
本研究将90 nm厚多层InSe集成在SiN波导上制备高速光电探测器，在近红外976 nm波段实现了低暗电流、高响应度和85 MHz 3 dB带宽，可应用于短距光互连等领域。
2023-05-01 physics.app-ph physics.ins-det 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
Wavelength-Agnostic Metasurface Design for Next-Generation 2D Photodetectors
该研究探索了结合协方差矩阵自适应优化与严格耦合波分析（RCWA）的复合方法，逆向设计二维光子晶体超表面，实现选定波长/模式下近完美吸收，为高性能二维超表面基器件（如量子技术组件）提供计算高效的设计方案。
2024-11-28 physics.app-ph physics.optics
Silver Telluride Colloidal Quantum Dot Infrared Photodetectors and Image Sensors
针对现有短波红外光电探测器成本高、难集成及传统胶体量子点材料有毒的问题，提出环保型碲化银量子点合成方法，制备出高性能RoHS合规光电探测器，并实现无重金属单片集成短波红外成像器，助力消费电子应用。
2024-09-18 physics.app-ph
