CN111952399A - 一种波导耦合的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导耦合的光电探测器及其制备方法。其中，本发明的一个方面提供了一种波导耦合的光电探测器，可以包括：衬底，包括底部硅材料层、中间二氧化硅填埋层和顶层硅；波导层和微结构倍增区，由衬底上的部分顶层硅刻蚀而成，其中，微结构倍增区用于调控电场分布和/或电场强弱，在波导层和微结构倍增区制备有掺杂区；二氧化硅窗口层，覆盖于波导层、微结构倍增区和掺杂区的部分表面，其中，在二氧化硅窗口层上开有外延窗口；光吸收层，布置在外延窗口中；绝缘介质层，覆盖于光吸收层和二氧化硅窗口层上，在二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有电极窗口；电极，电极包括n电极和p电极，设置于电极窗口中。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电探测器领域，特别涉及一种波导耦合的光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，传统的电互连成为性能提高的主要瓶颈，主要表现在：时延增长、功耗升高和信号串扰增大等。由于光互连具有高速度、高带宽、低功耗等特点，以硅基光子器件为基础的片上光互连是有望解决传统电互连对集成电路发展限制的优选方案。其中，硅基雪崩光电探测器是硅基光互连的关键器件之一，是近年来重要的研究课题。硅材料的空穴电子离化率比是各种倍增材料中最小的，最适合用于制作雪崩倍增层，但是其工作波长在1100nm以下，无法胜任近红外波段的光探测。同为四族元素的锗材料在近红外波段具有较高的光吸收效率，且完全兼容硅的CMOS工艺。因此，用锗作为吸收层，硅作为倍增层的分离吸收-倍增(SACM)结构的Ge/Si雪崩探测器可以充分发挥两者的优势。
常见的硅基雪崩光电探测器主要采用纵向结构，需要进行两次外延，即本征硅的外延和本征锗的外延。对于没有硅基片上集成应用需求的面入射锗硅雪崩光电探测器，该纵向结构使用广泛，性能优良。而针对硅基片上集成的硅基雪崩波导光电探测器，纵向结构所需的二次外延增加了工艺的难度和复杂性，降低了和其他片上集成器件的兼容性。因此，采用横向结构，利用SOI的本征顶层硅作为雪崩倍增区的波导耦合的雪崩光电探测器被设计和制备出来。
但是，无论是纵向还是横向的硅基雪崩光电探测器都需要在器件中部制备电荷区来调节电荷区两侧的吸收区和倍增区的电场。硅基雪崩光电探测器的性能对电荷区中载流子的分布和浓度非常敏感。对于波导耦合的雪崩光电探测器，由于较高能量的离子注入对光刻胶厚度有一定的要求，使得离子注入的尺寸难以进一步缩小，因此难以制备小宽度的电荷层。如果不需要制备电荷层，即可实现器件电场的有效调控，可以极大地降低器件的制作难度。
发明内容
鉴于此，为了能够通过不需要制备电荷层，实现对器件电场的有效调控，降低器件的制作难度，本发明提供了一种波导耦合的光电探测器及其制备方法，使得实现有效的光吸收和雪崩倍增，对电场进行有效调控。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种波导耦合的光电探测器，可以包括：衬底，包括底部硅材料层、中间二氧化硅填埋层和顶层硅；波导层和微结构倍增区，由衬底上的部分顶层硅刻蚀而成，其中，微结构倍增区用于调控电场分布和/或电场强弱，在波导层和微结构倍增区制备有掺杂区；二氧化硅窗口层，覆盖于波导层、微结构倍增区和掺杂区的部分表面，其中，在二氧化硅窗口层上开有外延窗口；光吸收层，布置在外延窗口中；绝缘介质层，覆盖于光吸收层和二氧化硅窗口层上，在二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有电极窗口；电极，电极包括n电极和p电极，设置于电极窗口中。
根据本发明的实施例，其中，微结构倍增区包括以下至少之一：等宽等空间占比纳米线及其阵列或不等宽不等空间占比的纳米线及其阵列。
根据本发明的实施例，其中，光吸收层无离子注入和电极连接。
根据本发明的实施例，其中，掺杂区包括；n型重掺杂区、p型轻掺杂区、p型重掺杂区；p型轻掺杂区的掺杂浓度大于5×1017/cm3；n型重掺杂区和p型重掺杂区的掺杂浓度大于5×1018/cm3。
根据本发明的实施例，其中，n型重掺杂区和p型轻掺杂区之间存在微结构倍增区和光吸收电场调控区。
根据本发明的实施例，其中，n型重掺杂区、p型轻掺杂区和p型重掺杂区处于同一平面，并分别处于光吸收层的两侧。
根据本发明的实施例，其中，光吸收层的材料包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗、锗锡合金；光吸收层覆盖部分p型轻掺杂区，光吸收层内无掺杂区及p-n结结构。
根据本发明的实施例，其中，绝缘介质层，用以保护所覆盖的材料与外界环境的电性隔绝；绝缘介质层，采用等离子体增强化学气相沉积法制备。
根据本发明的实施例，其中，n电极与p电极分别与n型重掺杂区和p型重掺杂区电学连接，实现欧姆接触。
本发明的另一方面提供了一种波导耦合的光电探测器的制备方法，包括：在衬底的顶层硅上制作台面，形成波导层和微结构倍增区；通过离子注入或扩散的方式，在波导层和微结构倍增区上制作掺杂区；在波导层、微结构倍增区和掺杂区的部分表面上制作二氧化硅窗口层；在二氧化硅窗口层中间区域开有外延窗口；在外延窗口中的外延窗口中选择外延光吸收层；在光吸收层和二氧化硅窗口层上制作绝缘介质层，并在二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有电极窗口；在电极窗口中分别制作n电极和p电极，实现欧姆接触。
基于上述技术方案可知，本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
根据本发明的实施例，通过本发明提供了一种波导耦合的光电探测器，在衬底的顶层硅上制作台面，形成波导层和微结构倍增区，根据调整微结构倍增区的形状结构，对整个器件的电场分布和强弱进行调控，而不需要制备电荷层来调整电荷区两侧的吸收区和倍增区的电场，实现微结构倍增区高电场而雪崩倍增和光吸收层较低电场提取光生载流子，最终实现有效的光吸收和雪崩倍增。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的波导耦合的光电探测器的截面结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的波导耦合的光电探测器的三维立体结构示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的波导耦合的光电探测器的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语使用来说明，并非用来限制本发明的保护范围。
图1示意性示出了根据本发明实施例的波导耦合的光电探测器的截面结构示意图。
图2示意性示出了根据本发明实施例的波导耦合的光电探测器的三维立体结构示意图。
如图1和图2所示，本发明提供了一种波导耦合的光电探测器，其包括：衬底100，波导层111和微结构倍增区112，二氧化硅窗口层300、光吸收层200、绝缘介质层400和电极510和电极520。
下面对于该光电探测器的各组成部分具体说明。
根据本发明的实施例，衬底100，包括：顶层硅110、中间二氧化硅填埋层120和底部硅材料层130。
根据本发明的实施例，本发明所使用的衬底材料可以为SOI(绝缘体上的硅)，其中，顶层硅110可以为以下至少之一：轻掺杂材料或者本征材料，电阻率大于1Ω/cm；二氧化硅填埋层120的厚度应大于1μm。
根据本发明的实施例，波导层111和微结构倍增区112，由衬底上的部分顶层硅110刻蚀而成，其中，微结构倍增区112用于调控电场分布和/或电场强弱，在波导层111和微结构倍增区112制备有掺杂区。
根据本发明的实施例，波导层111满足单模条件，可以包括以下至少之一：脊型波导、条形波导。当波导层111为条形波导时，制作顶层硅110除波导层111外，其余部分均刻蚀或腐蚀至二氧化硅填埋层120。
根据本发明的实施例，微结构倍增区112包括以下至少之一：等宽等空间占比纳米线及其阵列，不等宽不等空间占比的纳米线及其阵列。
根据本发明的实施例，空间占比可以为纳米线阵列的纳米线面积所占微结构倍增区112面积的占比。
根据本发明的实施例，通过离子注入或者杂质扩散的方式在波导层111和微结构倍增区112上制备掺杂区，参考图1方向从左向右依次为n型重掺杂区114、p型轻掺杂区113和p型重掺杂区115，其中，n型重掺杂区114和p型轻掺杂区113之间存在间隙，为微结构倍增区112和光吸收电场调控区。
根据本发明的实施例，n型重掺杂区114、微结构倍增区112、光吸收电场调控区和p型轻掺杂区113，构成了横向n-i-p结。
根据本发明的实施例，可选地，n型重掺杂区114可以采用离子注入的方式注入如磷、砷等离子后退火激活；p型轻掺杂区113和p型重掺杂区115可以采用离子注入的方式注入如硼、稼等离子后退火激活。
根据本发明的实施例，p型轻掺杂区113的掺杂浓度需要大于5×1017/cm3；n型重掺杂区114和p型重掺杂区115的掺杂浓度需要大于5×1018/cm3，以实现良好的欧姆接触。
根据本发明的实施例，由于微结构倍增区112的截面积较小，光吸收电场调控区和光吸收电场调控区上的光吸收层200的合并截面积较大，随着偏压的增加，在微结构倍增区112内的电场明显高于光吸收电场调控区和光吸收层200，从而实现微结构倍增区112内的雪崩倍增以及光吸收层200的光生载流子的提取。
根据本发明的实施例，二氧化硅窗口层300，覆盖于波导层111、微结构倍增区112和掺杂区的部分表面，其中，在二氧化硅窗口层300上开有外延窗口。
根据本发明的实施例，二氧化硅窗口层300可以通过等离子体增强化学气相沉积法制得，掺杂区的部分表面可以包括p型轻掺杂区113的部分表面。
根据本发明的实施例，在二氧化硅窗口层300中间区域开有矩形的外延窗口，可以通过以下至少之一制备该外延窗口：湿法腐蚀、干法刻蚀、先干法刻蚀和后湿法腐蚀混合刻蚀。
根据本发明的实施例，当采用湿法腐蚀时，可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，从而提高后续外延光吸收层200的质量，但是图形转移精度不佳；当采用干法刻蚀时，图形转移精度高，但是会引入刻蚀缺陷。
根据本发明的实施例，既可以保证图形转移精度，还可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，可以采用先干法刻蚀和后湿法腐蚀的混合刻蚀的方法制备该外延窗口。
根据本发明的实施例，通过调整二氧化硅窗口层300的外延窗口的大小，可以控制光吸收层200的大小和形貌，保证生长出来的光吸收层200的长度和厚度满足预定的需求。
根据本发明的实施例，光吸收层200，布置在外延窗口中。
根据本发明的实施例，光吸收层200是通过选择外延直接实现的，其形状由二氧化硅窗口层300的外延窗口和外延工艺共同控制的，不需要通过后期的刻蚀或腐蚀来改变其形状。
根据本发明的实施例，光吸收区200位于光吸收电场调控区上方，与p型轻掺杂区113有部分接触，且光吸收区200内无掺杂剂p-n结结构。
根据本发明的实施例，光输入波导的宽度可以小于波导层111的宽度，并且小于光吸收层200的宽度，以保证能够达到良好的光吸收效率。
根据本发明的实施例，当外加电场时，电场会自然呈现梯度分布，微结构倍增区112中电场较高，光吸收调控区电场较低，当电场进入光吸收调控区，光吸收层200位于光吸收调控区上方，电场会从光吸收调控区扩展进入光吸收层200，达到提取光生载流子的目的，从而光吸收层200可不需离子注入和电极连接，降低了器件的暗电流和额外光损耗，器件的整体工艺步骤减少，制作难度降低，有利于降低成本及和其他硅器件的片上集成。
根据本发明的实施例，绝缘介质层400，覆盖于光吸收层200和二氧化硅窗口层300上，在二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开有电极窗口。
根据本发明的实施例，绝缘介质层400通过采用等离子体增强化学气相沉积法沉积SiO2或Si3N4的方法获得，用以保护所覆盖的材料与外界环境的电性隔绝，免受外物的污染或外力损坏。
根据本发明的实施例，分别在n型重掺杂区114上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400上和在p型重掺杂区115上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400上开有电极窗口。
根据本发明的实施例，电极，包括n电极510和p电极520，设置于所述电极窗口中。
根据本发明的实施例，n电极制作在n型重掺杂区114上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400的电极窗口中，从上到下依次通过绝缘介质层400电极窗口、二氧化硅窗口层300电极窗口，再与n型重掺杂区进行电学连接，形成良好的欧姆接触。
根据本发明的实施例，p电极制作在p型重掺杂区115上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400的电极窗口中，从上到下依次通过绝缘介质层400电极窗口、二氧化硅窗口层300电极窗口，再与p型重掺杂区进行电学连接，形成良好的欧姆接触。
根据本发明的实施例，通过在SOI衬底上刻蚀波导层和微结构倍增区，调整微结构倍增区的大小和形状，调控器件的电场分布与强弱，实现微结构倍增区高电场而雪崩倍增和吸收层较低电场提取光生载流子。
图3示意性示出了根据本发明实施例的波导耦合的光电探测器的制备方法流程图。
如图3所示，该方法包括操作S301～S306。
在操作S301，在衬底100的顶层硅110上制作台面，形成波导层111和微结构倍增区112。
根据本发明的实施例，本发明所使用的衬底材料为SOI，在SOI衬底100的顶层硅110的厚度为220nm，晶向为(001)方向，导电类型为p型，电阻率为10Ω/cm。
根据本发明的实施例，在顶层硅110上制作台面，采用光刻和干法刻蚀的方法刻蚀顶层硅110，刻蚀深度为60～180nm，形成波导层111和微结构倍增区112。
根据本发明的实施例，波导层111可以包括以下至少之一：脊型波导、条形波导。例如，波导层111的形状为脊型，宽度为4～10μm。微结构倍增区112的部分刻蚀深度为220nm，其形状为等宽的条形纳米线阵列结构，纳米线阵列的纳米线面积占比小于50％，纳米线宽度小于300nm，保证光吸收电场调控区和光吸收层200中的电场相对均匀，根据倍增系数的需要，纳米线的长度为300nm～1000nm。
在操作S302，通过离子注入或扩散的方式，在波导层111和微结构倍增区112上制作掺杂区。
根据本发明的实施例，以光刻胶为掩膜，可选地，采用离子注入的方式，在波导层111和微结构倍增区112上分别制作n型重掺杂区114、p型轻掺杂区113和p型重掺杂区115。
根据本发明的实施例，p型轻掺杂区113的掺杂浓度为5×1017/cm3～5×1018/cm3，掺杂深度约为150nm；n型重掺杂区114和p型重掺杂区115的掺杂浓度为1×1019/cm3～1×1020/cm3，掺杂深度为150nm。
根据本发明的实施例，，n型重掺杂区114和p型轻掺杂区113之间存在间隙，为微结构倍增区112和光吸收电场调控区，根据光吸收效率和载流子提取的需要，光吸收调控区的宽度为300nm～1500nm。
在操作S303，在波导层111、微结构倍增区112和p型轻掺杂区113的部分表面上制作二氧化硅窗口层300，并在所述二氧化硅窗口层300中间区域开有外延窗口。
根据本发明的实施例，二氧化硅窗口层可以采用等离子体增强化学气相沉积法的方法制备。
根据本发明的实施例，通过采用干法刻蚀以及湿法腐蚀的方法在二氧化硅窗口层300上刻蚀矩形外延窗口，窗口中露出部分p型轻掺杂区113。
根据本发明的实施例，外延窗口的宽度为1～2μm，长度为5～30μm，通过外延窗口的大小可以调节光吸收层200的尺寸和形貌。
在操作S304，在外延窗口中选择外延光吸收层。
根据本发明的实施例，选择外延是指在衬底表面的特定区域生长外延层，而其他区域不生长外延层的外延工艺。
根据本发明的实施例，将衬底经过清洗后，放入超高真空化学气相沉积系统(UHV-CVD)，在二氧化硅窗口层300的长条形外延窗口中选择外延光吸收层200，外延厚度为400～800nm。
根据本发明的实施例，光吸收层200的材料可以包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗或锗锡合金。
在操作S305，在光吸收层200和二氧化硅窗口层300上制作绝缘介质层400，并在所述二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开有电极窗口。
根据本发明的实施例，绝缘介质层400可以采用等离子体增强化学气相沉积法沉积SiO2或Si3N4的方法所得，绝缘介质层400的厚度为300～1000nm。
根据本发明的实施例，以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀的方法，分别在n型重掺杂区114上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400上和在p型重掺杂区115上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400上开有电极窗口。
在操作S306，在电极窗口中分别制作n电极510和p电极520，实现欧姆接触。
根据本发明的实施例，n电极制作在n型重掺杂区114上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400的电极窗口中，从上到下依次通过绝缘介质层400电极窗口、二氧化硅窗口层300电极窗口，再与n型重掺杂区进行电学连接，实现良好的欧姆接触。
根据本发明的实施例，p电极制作在p型重掺杂区115上的二氧化硅窗口层300与绝缘介质层400的电极窗口中，从上到下依次通过绝缘介质层400电极窗口、二氧化硅窗口层300电极窗口，再与p型重掺杂区进行电学连接，实现良好的欧姆接触，完成制备。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波导耦合的光电探测器，包括：
衬底，包括：底部硅材料层、中间二氧化硅填埋层和顶层硅；
波导层和微结构倍增区，由所述衬底上的部分顶层硅刻蚀而成，其中，所述微结构倍增区用于调控电场分布和/或电场强弱，在所述波导层和微结构倍增区制备有掺杂区；
二氧化硅窗口层，覆盖于所述波导层、所述微结构倍增区和所述掺杂区的部分表面，其中，在所述二氧化硅窗口层上开有外延窗口；
光吸收层，布置在所述外延窗口中；
绝缘介质层，覆盖于所述光吸收层和所述二氧化硅窗口层上，在所述二氧化硅窗口层和所述绝缘介质层上开有电极窗口；
电极，所述电极包括n电极和p电极，设置于所述电极窗口中。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述微结构倍增区包括以下至少之一：等宽等空间占比纳米线及纳米线阵列，不等宽不等空间占比的纳米线及纳米线阵列。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述光吸收层无离子注入和电极连接。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述掺杂区包括；n型重掺杂区、p型轻掺杂区、p型重掺杂区；
所述p型轻掺杂区的掺杂浓度大于5×1017/cm3；
所述n型重掺杂区和所述p型重掺杂区的掺杂浓度大于5×1018/cm3。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述n型重掺杂区和所述p型轻掺杂区之间存在所述微结构倍增区和光吸收电场调控区。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述n型重掺杂区、所述p型轻掺杂区和所述p型重掺杂区处于同一平面，并分别处于所述光吸收层的两侧。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述光吸收层的材料包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗、锗锡合金；
所述光吸收层覆盖部分所述p型轻掺杂区，所述光吸收层内无掺杂区及p-n结结构。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述绝缘介质层，用以保护所覆盖的材料与外界环境的电性隔绝。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述n电极与所述p电极分别与所述n型重掺杂区和所述p型重掺杂区电学连接，实现欧姆接触。
10.一种波导耦合的光电探测器的制备方法，包括：
在衬底的顶层硅上制作台面，形成波导层和微结构倍增区；
通过离子注入或扩散的方式，在所述波导层和所述微结构倍增区上制作掺杂区；
在所述波导层、所述微结构倍增区和所述掺杂区的部分表面上制作二氧化硅窗口层，并在所述二氧化硅窗口层中间区域开有外延窗口；
在所述外延窗口中选择外延光吸收层；
在所述光吸收层和所述二氧化硅窗口层上制作绝缘介质层，并在所述二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有电极窗口；
在所述电极窗口中分别制作n电极和p电极，实现欧姆接触。
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Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112331727A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-02-05 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 一种光电探测器 |
| CN112786717A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-05-11 | 北京工业大学 | 一种微环耦合多通道集成光电探测器 |
| CN113471325A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-01 | 中国科学院半导体研究所 | 一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法 |
| CN113611759A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-05 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种光探测器、制备方法以及光模块 |
| CN113707750A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-26 | 中国科学院半导体研究所 | 波导耦合的雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN113707751A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-26 | 中国科学院半导体研究所 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114566557A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-05-31 | 中国科学院半导体研究所 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114864731A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-08-05 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器 |
| CN115274895A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-11-01 | 北京师范大学 | 硅光电倍增探测器 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090152681A1 (en) * | 2007-08-14 | 2009-06-18 | California Institute Of Technology | Nano-multiplication region avalanche photodiodes and arrays |
| CN102144298A (zh) * | 2008-09-04 | 2011-08-03 | 昆南诺股份有限公司 | 纳米结构的光电二极管 |
| CN104157722A (zh) * | 2014-08-18 | 2014-11-19 | 浙江大学 | 一种硅-石墨烯雪崩光电探测器 |
| CN105576072A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-05-11 | 武汉光电工业技术研究院有限公司 | 低噪声雪崩光电探测器及其制备方法 |
| US9391225B1 (en) * | 2013-06-11 | 2016-07-12 | Sandia Corporation | Two-dimensional APDs and SPADs and related methods |
| WO2017023301A1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Coriant Advanced Technology, LLC | Lateral ge/si avalanche photodetector |
| CN108666382A (zh) * | 2018-07-09 | 2018-10-16 | 长沙理工大学 | Soi基lsambm雪崩光电二极管及其制备方法 |
-
2020
- 2020-08-20 CN CN202010846271.4A patent/CN111952399B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090152681A1 (en) * | 2007-08-14 | 2009-06-18 | California Institute Of Technology | Nano-multiplication region avalanche photodiodes and arrays |
| CN102144298A (zh) * | 2008-09-04 | 2011-08-03 | 昆南诺股份有限公司 | 纳米结构的光电二极管 |
| US9391225B1 (en) * | 2013-06-11 | 2016-07-12 | Sandia Corporation | Two-dimensional APDs and SPADs and related methods |
| CN104157722A (zh) * | 2014-08-18 | 2014-11-19 | 浙江大学 | 一种硅-石墨烯雪崩光电探测器 |
| WO2017023301A1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Coriant Advanced Technology, LLC | Lateral ge/si avalanche photodetector |
| CN105576072A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-05-11 | 武汉光电工业技术研究院有限公司 | 低噪声雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN108666382A (zh) * | 2018-07-09 | 2018-10-16 | 长沙理工大学 | Soi基lsambm雪崩光电二极管及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SIMONE FERRARI等: "Waveguide-integrated superconducting nanowire single-photon detectors", 《NANOPHOTONICS》 * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112331727A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-02-05 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 一种光电探测器 |
| CN112786717A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-05-11 | 北京工业大学 | 一种微环耦合多通道集成光电探测器 |
| CN113471325A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-01 | 中国科学院半导体研究所 | 一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法 |
| CN113611759A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-05 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种光探测器、制备方法以及光模块 |
| CN113611759B (zh) * | 2021-07-28 | 2023-08-08 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种光探测器、制备方法以及光模块 |
| CN113707750B (zh) * | 2021-08-31 | 2022-11-29 | 中国科学院半导体研究所 | 波导耦合的雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN113707751A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-26 | 中国科学院半导体研究所 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN113707751B (zh) * | 2021-08-31 | 2022-12-06 | 中国科学院半导体研究所 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN113707750A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-26 | 中国科学院半导体研究所 | 波导耦合的雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114566557A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-05-31 | 中国科学院半导体研究所 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114566557B (zh) * | 2022-03-01 | 2023-04-28 | 中国科学院半导体研究所 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114864731A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-08-05 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器 |
| CN114864731B (zh) * | 2022-04-01 | 2024-04-19 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器 |
| CN115274895A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-11-01 | 北京师范大学 | 硅光电倍增探测器 |
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