CN113097333B - 近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法，该光电探测器包括本征Si衬底层，位于本征Si衬底层上方的绝缘反射层，位于绝缘反射层上方的本征Ge衬底层，位于本征Ge衬底层表面两侧的金属电极，以及位于金属电极之间的复合纳米结构阵列，其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和位于Ge纳米结构上方的金属纳米结构。本发明通过在本征Ge衬底层上形成包括Ge纳米结构和金属纳米结构复合纳米结构阵列，实现了Ge材料的本征吸收以及Ge上金属内部电子热吸收的双吸收机制，扩大了吸收范围，提高了探测效率；同时可通过调整结构参数实现红外通信波段的不同双波段响应。

Description

近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测技术一直以来是人们重点关注的研究方向。近红外光电探测器由于具有灵敏度高、空间分辨率好、动态范围大、抗干扰能力强以及能在恶劣环境下昼夜工作等优点，因而被广泛应用于遥感、火控、检测、信息传输等军事民生领域。近年来，随着光纤通信的飞速发展，对近红外光接收机的性能要求也越来越高。制备波长响应在近红外波段的高响应度、高速率及低噪声的探测器也成为人们一直以来追求的目标。
目前，虽然用III-V半导体材料制备该波段的探测器方面已经取得了很大的进展，并且早已进入产业化阶段，但其价格昂贵、热学机械性差以及不能与现有的主流Si基CMOS工艺集成等因素限制了它在Si基集成器件方面的应用。尽管Si基光电探测器在可见光波段已经趋于成熟，但由于Si的光电响应截止波长约为1100nm，单一Si材料一般无法实现近红外通讯波段的光电探测，如何在Si基上集成通信波段光电探测器是相关领域面临的一个重大瓶颈技术。
意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所的M.Lodari等人在2019年发表文章提出一种新型Ge光电探测器，通过优化在Ge上制作的Au叉指电极实现吸收增强。其结构的Si衬底上方为Ge材料，Ge材料上方为金属光栅。通过特定入射波长的光与周期性的叉指电极进行耦合，产生光栅衍射从而实现吸收增强。调整金属几何结构的周期性和横向尺寸来增强特定波长光的吸收可进一步提高光电探测器的响应度。然而，该结构只有一种吸收机制为Ge材料的本征吸收，吸收范围较小，探测效率比较低，且只能探测单一近红外波段。
中国科学院纳米技术研究中心的Wang,K等设计并实验展示了一个可见光和近红外双波段光电探测器，该探测器由平面外的Au光栅和n+-Si槽基超材料组成。模拟、实验和计算结果表明，不同界面的表面等离子体激元共振(SPR)和硅槽共振可以调制吸收光谱。可见光吸收主要由Si沟道共振、Au-空气界面的SPRs和Au-Si界面的高频模式SPRs引起。近红外吸收是由Au-Si界面的SPRs引起的。此外，上下金光栅的面外耦合导致电场增强和SPR吸收的展宽。在无外加偏压的情况下，可见光和近红外波段的光响应率分别大于7和3mA/W，在535nm处的最大响应率为13mA/W。然而，该结构受Si的禁带宽度限制，探测波长范围主要集中在可见光范围，在红外通信波段探测效率比较低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，包括：本征Si衬底层，位于所述本征Si衬底层上方的绝缘反射层，位于所述绝缘反射层上方的本征Ge衬底层，位于所述本征Ge衬底层表面两侧的金属电极，以及位于所述金属电极之间的复合纳米结构阵列，其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和位于所述Ge纳米结构上方的金属纳米结构。
在本发明的一个实施例中，所述Ge纳米结构包括第一Ge纳米线和第二Ge纳米线，其中，所述第二Ge纳米线为中空状结构，所述第一Ge纳米线位于所述第二Ge纳米线中心，且两者之间具有一定间距；
相应的，所述金属纳米结构包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层覆盖所述第一Ge纳米线的上表面，所述第二金属层覆盖所述第二Ge纳米线的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述第一Ge纳米线为圆形盘状结构，且与所述第二Ge纳米线的高度相同。
在本发明的一个实施例中，所述第二Ge纳米线为圆环状结构，且与所述第一Ge纳米线的高度相同。
在本发明的一个实施例中，所述金属纳米结构的材料为Au。
在本发明的一个实施例中，所述金属电极为Au矩形电极。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘反射层自下而上依次包括第一SiO2层、SiN层以及第二SiO2层。
本发明的另一个实施例提供了一种用于制备上述实施例所述的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的方法，包括：
选取本征Si衬底，并在其上依次制备绝缘反射层和本征Ge衬底层，以形成GOI样品；
在所述GOI样品表面沉积一定厚度的金属层；
对所述金属层和所述本征Ge衬底层进行蚀刻，以形成金属电极和复合纳米结构阵列，制备得到近红外双波段等离子体Ge基光电探测器。
在本发明的一个实施例中，在所述GOI样品表面沉积一定厚度的金属层包括：
在所述GOI样品的本征Ge衬底层表面旋涂PMMA，并进行加热、曝光、显影、定影处理；
采用电子束光刻工艺在所述样品表面沉积一定厚度的Au层。
在本发明的一个实施例中，对所述金属层和所述本征Ge衬底层进行蚀刻，以形成金属电极和复合纳米结构阵列，包括：
在异丙醇中对整个样品进行漂洗并在压缩N2中干燥；
采用图形金属结构作为蚀刻掩模，在蚀刻机中对所述金属层和所述本征Ge衬底层进行氯基等离子体反应离子蚀刻，以在所述本征Ge衬底层表面两侧形成金属电极，并在所述金属电极之间形成复合纳米结构阵列；其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和金属纳米结构。
本发明的有益效果：
1、本发明通过在本征Ge衬底层上形成包括Ge纳米结构和金属纳米结构复合纳米结构阵列，实现了Ge材料的本征吸收以及Ge上金属内部电子热吸收的双吸收机制，扩大了吸收范围，提高了探测效率；
2、本发明可通过调整Ge纳米结构和Au金属层的几何尺寸，增强光电探测器在红外通信波段的光吸收，实现红外通信波段的不同双波段响应；
3、本发明在锗光电探测器的绝缘体上锗平台上通过共振腔增强光学响应，利用绝缘体层和沉积的SiO2层创建了一个垂直腔，以增强光学约束，从而提高直接间隙吸收边缘附近的光学响应，同时，在Ge层中引入拉伸应变以减小直接带隙，从而扩展光电探测范围；
4、本发明采用Ge材料作为主要制备材料，使得其在工艺上与Si基CMOS工艺兼容，安全性高，成本低，且有利于光电集成；同时通过特定的结构设计扩展了吸收波长范围，实现了Ge基光电探测器在近中红外波段处的探测。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的三维结构图；
图2是本发明提供的光电探测器的电子吸收跃迁图；
图3是本发明实施例提供的一个复合纳米结构阵列单元的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的光电探测器的左视图；
图5是本发明实施例提供的光电探测器的吸收光谱图；
图6a-6f是本发明实施例提供的不同参数下器件双波段的响应峰位变化图；
图7是本发明实施例提供的一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的三维结构图，其包括：
本征Si衬底层1，位于本征Si衬底层1上方的绝缘反射层2，位于绝缘反射层2上方的本征Ge衬底层3，位于本征Ge衬底层3表面两侧的金属电极4，以及位于金属电极4之间的复合纳米结构阵列5，其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构6和位于Ge纳米结构6上方的金属纳米结构7。
本实施例采用Ge材料作为主要制备材料，与III-V族和II-VI族材料相比，Ge材料在工艺上与Si基CMOS工艺兼容，安全性高，成本低，有利于光电集成；与硅材料相比，Ge材料的禁带宽度较小，为0.66eV，截止波长在1879nm附近，在近红外波段吸收系数较强，并进一步通过本实施例的特定结构设计，扩展了吸收波长范围，实现了Ge基光电探测器在近中红外波段处的探测。
进一步地，绝缘反射层2自下而上依次包括第一SiO2层21、SiN层22以及第二SiO2层23。
本实施例在锗光电探测器的绝缘体上锗(GOI)平台上通过共振腔增强光学响应，利用绝缘体层和沉积的SiO2层创建了一个垂直腔，以增强光学约束，从而提高直接间隙吸收边缘附近的光学响应，同时，在Ge层中引入拉伸应变以减小直接带隙，从而扩展了光电探测范围。
对于Ge-on-Si结构，由于层间的干扰，反射率谱表现出轻微的振荡特征。响应率随波长的增加而减小，对应于0.16％拉伸约束Ge活性层的直接间隙吸收边。另一方面，对于GOI PD，反射率谱表现出比Ge-on-Si结构更强的振荡结构，其中反射率极小值表示共振条件。由于GOI平台中的绝缘体具有比Ge小得多的折射率，因此提供了极好的光学限制，并由此产生了用于增强器件的光学响应度的垂直腔。通过精心设计垂直腔，锗在吸收带边缘附近的光学响应率可以得到显著提高，从而在通信近中红外波段和中远红外波段实现高效的光电探测。
在本实施例中，Ge纳米结构6包括第一Ge纳米线61和第二Ge纳米线62，其中，第二Ge纳米线62为中空状结构，第一Ge纳米线61位于第二Ge纳米线62中心，且两者之间具有一定间距；
相应的，金属纳米结构7包括第一金属层71和第二金属层72，第一金属层71覆盖第一Ge纳米线61的上表面，第二金属层72覆盖第二Ge纳米线62的上表面。
具体的，第一Ge纳米线61可以为盘状结构，例如圆形盘状结构，方形盘状结构或其他类似的结构，第二Ge纳米线62为中控环状结构，例如，圆环状结构。其中，第一Ge纳米线61与第二Ge纳米线62的高度相同。
进一步地，本实施例采用Au作为金属纳米结构7的材料，在实际当中，还可根据需要采用其他诸如Ag等贵金属材料制作金属纳米结构7。此外，为了便于制作，本实施例采用相同的Au材料作为矩形金属电极4的材料。
本实施例提供的光电探测器通过入射光与Au形成等离共振，产生光的局域增强效应，从而实现吸收增强，进一步提高Ge系探测器在红外通信波段的探测能力，实现高性能的Ge基红外通信波段光电探测器。
本实施例通过在本征Ge衬底层上形成包括Ge纳米结构和金属纳米结构复合纳米结构阵列，实现了Ge材料的本征吸收以及Ge上金属内部电子热吸收的双吸收机制，与普通的Ge光电探测器相比，增加了热电子吸收机制，扩大了吸收范围，增强了器件的吸收能力，提高了光电探测器在红外通信波段的响应度，提高了探测效率，具体的电子吸收跃迁图如图2所示，其中，图2a是本发明提供的光电探测器的Ge材料本征吸收的电子吸收跃迁图，Ge材料价带内的电子吸收光子能量，跃迁到导带，对光电流作出贡献。图2b是本发明提供的光电探测器的Ge上金属内部电子热吸收的电子吸收跃迁图，其首先通过金属等离子体激元将光局域在金和Ge材料界面处，然后金内部电子获得能量进行热电子发射跃过Au和Ge界面处的肖特基势垒到Ge纳米线，成为光电流的一部分。
本实施例提供的光电探测器通过两种机制的光电子吸收提高了光电探测器在红外通信波段的响应度，拓宽了光电探测器的探测范围。
进一步地，本实施例提供的光电探测器的具体结构参数由所需的共振波长决定。下面以圆形盘状第一Ge纳米线61和圆环状第二Ge纳米线62为例对光电探测器的结构尺寸进行详细说明。请参见图3和图4，图3是本发明实施例提供的一个复合纳米结构阵列单元的结构示意图，其中，第一Ge纳米线61的半径(也即第一金属层71的半径)表示为r，第一金属层71的半径也为r，第二Ge纳米线62的内径(也即第二金属层72的内径径)为Rin，外径为Rout，第一Ge纳米线61与第二Ge纳米线62的间距记为d1，即d1＝Rin-r，第二Ge纳米线62的线宽记为d2，即d2＝Rout-Rin，每个复合纳米结构阵列单元的周期为P，且P/2-Rout＝d3。图4是本发明实施例提供的光电探测器的左视图，其中，金属纳米结构7的厚度为h1，Ge纳米结构的厚度(也即第一Ge纳米线第二Ge纳米线的高度)为h2，本征Ge衬底层3的厚度为h3，绝缘反射层2中第二SiO2层23的厚度为h4，SiN层22的厚度为h5，第一SiO2层21的厚度为h6。其中，第一Ge纳米线61和第二Ge纳米线62的结构尺寸分别决定了两个波段的吸收峰。
具体地，可根据实际需要，通过仿真优化确定具体地结构参数。例如，本实施例针对波长在1310nm和2000nm的双波段探测器，通过仿真优化确定其结构参数如下：
r＝140nm，d1＝80nm，Rin＝220nm，d2＝100nm，Rout＝320nm，d3＝15nm，
P＝670nm，h1＝30nm，h2＝160nm，h3＝810nm，h4＝312nm，h5＝50nm，h6＝216nm。
为了验证本发明提供的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的效果，本实施例在上述结构参数的条件下，模拟了器件在1.2μm～2.2μm的波段范围内的光吸收谱，其结果如图5所示，图5是本发明实施例提供的光电探测器的吸收光谱图。由图5可以看出，在近中红外1265nm及中远红外2000nm处均有明显峰值，吸收分别能达到81％与41％，在通信波段1310nm处的吸收也达到了77％，可以实现红外1310nm与2000nm双波段探测。
为了进一步验证第一Ge纳米线(圆盘)和第二Ge纳米线(圆环)的结构尺寸对器件性能的影响，在上述结构参数的条件下，分别以r、d1、d2、d3、h1、h2为变量，在其他参数不变的情况下，对器件的双波段的响应峰位(Peak position)的变化进行模拟仿真，其仿真结果参见图6a-6f，图6a-6f是本发明实施例提供的不同参数下器件双波段的响应峰位变化图。
1)在其他参数不变的前提下，取圆盘半径r的值为120nm、130nm、140nm、150nm以及160nm，仿真得到了双波段的响应峰位(Peak position)的变化，如图6a所示。从图6a中可以看到，随着圆盘半径从120nm增加到160nm，响应波段在1310nm附近的峰位λ1几乎没有变化；而响应波段在2000nm附近的峰位λ2则发生了明显的红移现象。由此说明了通过改变圆盘半径可以调控2000nm附近的峰位λ2。
2)在其他参数不变的前提下，取圆盘与圆环间距d1的值为60nm、70nm、80nm、90nm以及100nm，仿真得到了双波段的响应峰位(Peak position)的变化，如图6b所示。可以看到随着圆盘与圆环间距从60nm增加到100nm，响应波段在1310nm附近的峰位λ1也几乎没有明显变化；而响应波段在2000nm附近的峰位λ2则发生了轻微红移现象。由此说明通过改变圆盘与圆环间距也可以调控2000nm附近的峰位λ2。
3)在其他参数不变的前提下，取圆环线宽d2的值为80nm、90nm、100nm、110nm以及120nm，仿真得到了双波段的响应峰位(Peak position)的变化，如图6c所示。可以看到随着圆环线宽从80nm增加到120nm，响应波段在1310nm附近的峰位λ1发生了明显的红移现象；而响应波段在2000nm附近的峰位λ2则没有明显变化。这表明通过改变圆环线宽可以调控1310nm附近的峰位λ1。
4)在其他参数不变的前提下，取圆环与圆环间距d3的值为5nm、10nm、15nm、20nm以及25nm，仿真得到了双波段的响应峰位(Peak position)的变化，如图6d所示。可以看到随着圆环与圆环间距从5nm增加到25nm，响应波段在1310nm附近的峰位λ1没有明显变化；而响应波段在2000nm附近的峰位λ2则发生了轻微的蓝移现象。这表明通过改变圆环与圆环间距可以调控2000nm附近的峰位λ2。
5)在其他参数不变的前提下，取金层厚度h1的值为20nm、30nm、40nm、50nm以及60nm，仿真得到了双波段的响应峰位(Peak position)的变化，如图6e所示。可以看到随着金层厚度从20nm增加到60nm，响应波段在1310nm附近的峰位λ1发生了轻微的红移现象；而响应波段在2000nm附近的峰位λ2则发生了明显的蓝移现象。这表明通过改变金层厚度h1可以调控1310nm附近的峰位λ1和2000nm附近的峰位λ2。
6)在其他参数不变的前提下，取纳米线高度h2的值为140nm、150nm、160nm、170nm以及180nm，仿真得到了双波段的响应峰位(Peak position)的变化，如图6f所示。可以看到随着纳米线高度从140nm增加到180nm，响应波段在1310nm附近的峰位λ1与响应波段在2000nm附近的峰位λ2都没有明显的变化。这表明改变纳米线高度h2对结构的响应波段没有太大影响。
本实施例可通过调整结构参数可以实现对不同波长的选择和增强，显著提高硅基锗探测器在特定波段的光响应，为硅基光电子集成电路提供了更为广阔的前景。
实施例二
本实施例提供了一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的制备方法，用以制备上述实施例一提供的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，具体包括以下步骤：
步骤1：选取本征Si衬底，并在其上依次制备绝缘反射层和本征Ge衬底层，以形成GOI样品；
步骤2：在GOI样品表面沉积一定厚度的金属层；
具体地，在GOI样品的本征Ge衬底层表面旋涂PMMA，并进行加热、曝光、显影、定影处理；
采用电子束光刻工艺在样品表面沉积一定厚度的Au层。
步骤3：对金属层和本征Ge衬底层进行蚀刻，以形成金属电极和复合纳米结构阵列，制备得到近红外双波段等离子体Ge基光电探测器。
具体地，在异丙醇中对整个样品进行漂洗并在压缩N2中干燥；
采用图形金属结构作为蚀刻掩模，在蚀刻机中对金属层和本征Ge衬底层进行氯基等离子体反应离子蚀刻，以在本征Ge衬底层表面两侧形成金属电极，并在金属电极之间形成复合纳米结构阵列。其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和金属纳米结构。
需要说明的是，金属纳米结构的材料可以跟金属电极的材料相同，也可以不相同。一般的，为了降低工艺复杂度，通常选取相同的材料以便经过一次蚀刻同时形成复合纳米结构和金属电极。
下面以Au作为金属纳米结构和金属电极的材料对本实施例的制备方法进行详细说明。
请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的制备方法流程图，具体包括：
S1：采用晶圆键合和层转移技术制造GOI样品，其包括顶部本征Ge衬底层、绝缘反射层以及本征Si衬底层，绝缘反射层包括312nm厚的SiO2、50nm厚的SiN和216nm厚的SiO2层。
S2：在本征Ge衬底上旋涂300nm厚的PMMA，其次在180℃的热板上加热90s，然后进行电子束曝光，曝光后的PMMA在4-甲基-2-戊醇/异丙醇(1:3)溶液显影100s，在异丙醇溶液中定影30s。
S3：将样品立即转移到电子束蒸发系统中进行Au金属沉积。此处为了更好地将金光栅粘附在Ge衬底上，可先在Ge衬底上沉积2-nm Cr，然后再沉积100nm Au。
S4：将步骤S3完成的样品放入60℃的丙酮中，以去除其他杂质，并在异丙醇中漂洗后压缩N2中干燥。
S5：使用图形金属结构作为蚀刻掩模，在蚀刻机中进行氯基等离子体反应离子蚀刻(RIE)，以同时形成复合纳米结构的金属电极。
至此，完成近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的制备。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，其特征在于，包括：本征Si衬底层(1)，位于所述本征Si衬底层(1)上方的绝缘反射层(2)，所述绝缘反射层(2)自下而上依次包括第一SiO2层(21)、SiN层(22)以及第二SiO2层(23)，位于所述绝缘反射层(2)上方的本征Ge衬底层(3)，位于所述本征Ge衬底层(3)表面两侧的金属电极(4)，以及位于所述金属电极(4)之间的复合纳米结构阵列(5)，其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构(6)和位于所述Ge纳米结构(6)上方的金属纳米结构(7)，所述Ge纳米结构(6)包括第一Ge纳米线(61)和第二Ge纳米线(62)，所述第一Ge纳米线(61)为圆形盘状结构，所述第二Ge纳米线(62)为中空圆环状结构；
所述第一Ge纳米线(61)位于所述第二Ge纳米线(62)中心，且两者之间具有一定间距；
相应的，所述金属纳米结构(7)包括第一金属层(71)和第二金属层(72)，所述第一金属层(71)覆盖所述第一Ge纳米线(61)的上表面，所述第二金属层(72)覆盖所述第二Ge纳米线(62)的上表面；
所述近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的响应波段分别为1310nm峰位和2000nm峰位。
2.根据权利要求1所述的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，其特征在于，所述第一Ge纳米线(61)与所述第二Ge纳米线(62)的高度相同。
3.根据权利要求1所述的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，其特征在于，所述金属纳米结构(7)的材料为Au。
4.根据权利要求1所述的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，其特征在于，所述金属电极(4)为Au矩形电极。
5.一种用于制备如权利要求1-4任一项所述的近红外双波段等离子体Ge基光电探测器的方法，其特征在于，包括：
选取本征Si衬底，并在其上依次制备绝缘反射层和本征Ge衬底层，以形成GOI样品；
在所述GOI样品表面沉积一定厚度的金属层；
对所述金属层和所述本征Ge衬底层进行蚀刻，以形成金属电极和复合纳米结构阵列，制备得到近红外双波段等离子体Ge基光电探测器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述GOI样品表面沉积一定厚度的金属层包括：
在所述GOI样品的本征Ge衬底层表面旋涂PMMA，并进行加热、曝光、显影、定影处理；
采用电子束光刻工艺在所述样品表面沉积一定厚度的Au层。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述金属层和所述本征Ge衬底层进行蚀刻，以形成金属电极和复合纳米结构阵列，包括：
在异丙醇中对整个样品进行漂洗并在压缩N2中干燥；
采用图形金属结构作为蚀刻掩模，在蚀刻机中对所述金属层和所述本征Ge衬底层进行氯基等离子体反应离子蚀刻，以在所述本征Ge衬底层表面两侧形成金属电极，并在所述金属电极之间形成复合纳米结构阵列；其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和金属纳米结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117637879B (zh) * 2024-01-26 2024-04-30 镭友芯科技(苏州)有限公司 一种高光吸收率低暗电流的锗基光电器件及制造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106784056A (zh) * 2016-12-22 2017-05-31 东南大学 一种响应光谱可调节的光电探测器
CN110196464A (zh) * 2019-07-01 2019-09-03 江南大学 一种实现超宽带光吸收的方法以及一种复合微结构

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8750653B1 (en) * 2010-08-30 2014-06-10 Sandia Corporation Infrared nanoantenna apparatus and method for the manufacture thereof
CN107732017B (zh) * 2017-10-10 2019-08-13 北京大学 一种等离激元结构衬底及其制备和应用
CN110416235B (zh) * 2019-07-12 2021-11-05 东南大学 一种中空表面等离激元结构的二维材料复合多色红外探测芯片
CN111952386A (zh) * 2020-07-10 2020-11-17 西安电子科技大学 双机制等离增强的Ge基红外通信波段光电探测器及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106784056A (zh) * 2016-12-22 2017-05-31 东南大学 一种响应光谱可调节的光电探测器
CN110196464A (zh) * 2019-07-01 2019-09-03 江南大学 一种实现超宽带光吸收的方法以及一种复合微结构

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