使用二维材料的中红外波导集成的光电检测器的制作方法

使用二维材料的中红外波导集成的光电检测器
发明领域
1.本发明广泛地涉及中红外波导集成的光电检测器及其制造方法。


背景技术：

2.在整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论都不应以任何方式被认为是承认该现有技术是众所周知的或形成本领域公知常识的一部分。
3.中红外(mir，通常被认为是2μm至20μm的波长范围)波导集成的光电检测器对于光子系统的小型化和mir片上传感系统的实现是必不可少的。黑磷(bp)由于其窄的直接带隙可实现低噪声mir光电检测并且其分层晶格结构易于与硅(si)进行单片集成，为mir波导集成的光电检测器提供独特的机会。光电检测器的进一步小型化将改进操作速度、信噪比和内部量子效率。不可避免地，不期望的较弱光响应伴随着减少的光
‑
物质相互作用长度。
4.基于bp的光电检测器的现有建议包括：
5.(1)youngblood，n.；chen，c.；koester，s.j.；li，m.waveguide
‑
integrated black phosphorus photodetector with high responsivity and low dark current.nat.photonics2015，9，247
‑
252。
6.在该论文中，作者将bp光电检测器与普通的条形波导集成。结果，即使在远离bp的截止波长的1.55μm处工作，也可以实现0.0188a/w的较低响应度。
7.(2)chen，c.；youngblood，n.；peng，r.；yoo，d.；mohr，d.a.；johnson，t.w.；oh，s.h.；li，m.three
‑
dimensional integration of black phosphorus photodetector with silicon photonics and nanoplasmonics.nano lett.2017，17，985
‑
991。
8.在该论文中，作者展示一种通过等离激元结构的单片集成来改善波导集成的bp光电检测器性能的方法。等离激元结构将光场集中在其附近并且因此增强光与物质的相互作用。然而，来自等离激元结构的高欧姆损耗严重削弱被bp吸收的光。在1.55μm下，在具有4.5μm
×
12μm的占位面积的集成光电检测器中在0.7v偏置下获得0.214a/w的响应度。
9.(3)yin，y.；cao，r.；guo，j.；liu，c.；li，j.；feng，x.；wang，h.；du，w.；qadir，a.；zhang，h.；等人；high
‑
speed and high
‑
responsivity hybrid silicon/black
‑
phosphorus waveguide photodetectors at 2μm.laser photon.rev.2019，13，1900032。
10.与论文(1)类似，这里的作者也将bp光电检测器与普通的条形波导集成。在2μm波长和33.3μm的光
‑
物质相互作用长度下，实现0.3067a/w的较低响应度。
11.(4)huang，l.；dong，b.；guo，x.；chang，y.；chen，n.；huang，x.；liao，w.；zhu，c.；wang，h.；lee，c.；等人；waveguide
‑
integrated black phosphorus photodetector for mid
‑
infrared applications.acs nano 2019，13，913
‑
921。
12.在该论文中，作者展示光栅耦合器集成的bp mir光电检测器，在接近bp的截止波长的3.68至4.03μm的波长范围中操作。使用bp薄片(40nm锯齿)，和在3.78μm下，即使设备长度为80μm且在1v偏置下，也可实现低于2a/w的响应度。另外，由于光栅耦合器最初被用作光信号的输入和输出端子，这种集成牺牲可在集成光子系统中用于其他目的的光输出端子。
13.本发明的实施方案试图解决以上问题中的至少一个。


技术实现要素：

14.根据本发明的第一方面，提供一种中红外波导集成的光电检测器，其包括：
15.在基板上形成并且被配置为引导中红外波长范围中的光信号的波导；
16.任选地与所述波导光耦合的光子晶体结构，所述光子晶体结构表现出具有所述中红外波长范围中的带边缘的带隙；
17.在所述光子晶体结构上布置的二维材料，所述二维材料在所述中红外波长范围中表现出光的吸收；和
18.连接到所述二维材料的电极，用于在所述二维材料上施加偏置电压并检测所述光信号的吸收。
19.[移至权利要求书和说明书的结尾。]根据本发明的第二方面，提供一种制造中红外波导集成的光电检测器的方法，所述方法包括以下步骤：
[0020]
在基板上形成波导并配置为引导中红外波长范围中的光信号；
[0021]
形成与所述波导光耦合的光子晶体结构，所述光子晶体结构表现出具有所述中红外波长范围中的带边缘的带隙；
[0022]
在所述光子晶体结构上布置二维材料，所述二维材料在所述中红外波长范围中表现出光的吸收；和
[0023]
提供连接到所述二维材料的电极，用于在所述二维材料上施加偏置电压并检测所述光信号的吸收。
[0024]
[移至权利要求书和说明书结尾。]
附图说明
[0025]
从以下书面描述，仅作为示例，并结合附图，本发明的实施方案对于本领域的普通技术人员将更好理解和显而易见，其中：
[0026]
图1(a)示出包括示例实施方案的共享bp光子系统的示意图。
[0027]
图1(b)示出图1(a)中黑色方形框的放大图，分别示出集成在根据示例实施方案的phcwg和swgwg上的两个bp光电检测器。
[0028]
图1(c)示出包括示例实施方案的所制造的共享bp光子系统的显微图像。
[0029]
图1(d)示出通过图1(c)中的黑色方框表示的两个bp光电检测器的放大图。
[0030]
图1(e)示出根据示例实施方案的phcwg和在bp传输之前的swgwg的扫描电子显微镜(sem)图。
[0031]
图1(f)示出沿图1(d)中的白色虚线的40nm厚bp薄片的afm高度轮廓。
[0032]
图1(g)示出在用于pdms压模的共享bp光子系统中使用的bp薄片在传输到波导之前的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都平行于图1(d)中的白色虚线。
[0033]
图2(a)示出bp传输之前和之后swgwg系统的透射光谱。
[0034]
图2(b)示出根据示例实施方案的phcwg系统在bp传输之前和之后的透射光谱。
[0035]
图2(c)示出bp吸收光谱和电场分布。
[0036]
图3(a)示出测量和模拟的mach zehnder干涉仪(mzi)透射光谱，该mzi的一个臂中
包含phcwg。
[0037]
图3(b)示出从图3(a)的mzi透射光谱中提取的phcwg的光谱组指数。
[0038]
图3(c)示出在bp之后根据示例实施方案的phcwg系统的测量的透射光谱，以及顶部覆盖有相同bp薄片的mzi的模拟透射光谱。
[0039]
图3(d)示出从图3(c)的mzi透射光谱中提取的phcwg的光谱组指数。
[0040]
图3(e)示出mzi的参考臂中的脊形波导和bp传输后的swgwg的色散曲线。
[0041]
图4(a)示出根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器在三个波长下的时间响应。
[0042]
图4(b)示出swgwg集成的bp光电检测器在三个波长下的时间响应。
[0043]
图4(c)分别示出与根据示例实施方案的phcwg和swgwg集成的bp光电检测器的光谱响应。
[0044]
图4(d)示出根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器与swgwg集成的bp光检测器的响应度增强比，以及phcwg与swgwg的组指数增强比。
[0045]
图5(a)示出在三个波长下根据示例实施方案的在phcwg集成的bp光电检测器中光电流与入射功率之间的关系。
[0046]
图5(b)是在三个波长下swgwg集成的bp光电检测器中光电流与入射功率之间的关系。
[0047]
图5(c)示出在三个波长下根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器的功率依赖的响应度。
[0048]
图5(d)是在三个波长下swgwg集成的bp光电检测器的功率依赖的响应度。
[0049]
图6(a)示出根据示例实施方案的与phcwg集成的bp光电检测器和与swgwg集成的bp光电检测器的光谱电流噪声功率密度。
[0050]
图6(b)示出暗电流，而图6(c)示出根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器和swgwg集成的bp光电检测器的散粒噪声 约翰逊噪声。
[0051]
图6(d)示出根据测量的响应度和噪声功率密度计算的频谱nep。
[0052]
图6(e)示出在3.825μm下，根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器和swgwg集成的bp光电检测器的功率依赖的nep。
[0053]
图7(a)示出根据示例实施方案使用的使用bp薄片制造的设备的显微图像。
[0054]
图7(b)示出沿图7(a)中的虚线的16.5nm厚的bp薄片的afm高度轮廓。
[0055]
图7(c)示出bp薄片的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都平行于图7(a)中的虚线。
[0056]
图7(d)以线性和对数标度示出图7(a)中设备在0.5v源极
‑
漏极偏置下的传输曲线。
[0057]
图7(e)示出根据示例实施方案使用的使用bp薄片制造的设备的显微图像。
[0058]
图7(f)示出沿图7(e)中的虚线显示的45nm厚bp薄片的afm高度轮廓。
[0059]
图7(g)示出bp薄片的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都平行于图7(e)中的虚线。
[0060]
图7(h)示出零栅极偏置下的传输线方法结果，从中提取图7(e)中设备的bp上ti/au电极的接触电阻。
[0061]
图8(a)示出图7(e)中设备对于不同温度的光电流响应。
[0062]
图8(b)示出图7(e)中的设备对于不同入射功率的频率响应。
[0063]
图8(c)示出用于示例实施方案中的bp薄片的等效电路模型的rc限制响应。
[0064]
图9示出用于示例实施方案中的bp薄片的等效电路模型对于不同的bp电容值的rc限制响应。
[0065]
图10示出示意图和照片，其示出根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器的制造。
[0066]
图11示出根据示例实施方案制造中红外波导集成的光电检测器的方法的流程图。
具体实施方式
[0067]
根据一个示例实施方案，本文所述的本发明的实施方案通过与仅10μm长的光子晶体波导(phcwg)集成提供一种慢光增强的bp mir光电检测器。根据示例实施方案，由于bp材料性质和慢光增强之间的协同作用，在3.825μm的波长下和在0.5v的偏置下，获得11.31a/w的高响应度和0.012nw/hz
1/2
的噪声等效功率。在不同的示例实施方案中，根据示例实施方案开发的慢光增强技术还可以容易地应用于采用其他类型的二维(2d)材料的光电检测器。根据示例实施方案的二维材料光电检测器和慢光波导的集成可以在实现用于包括痕量气体检测、环境监测、工业过程控制和医学诊断的广泛应用的小型化高性能片上mir系统的实现中找到应用。
[0068]
在根据示例实施方案的诸如phcwg的人工设计的周期性介电结构中的慢光在空间上压缩光能并增强光
‑
物质相互作用，并因此可以在波导集成的bp光电检测器中以减小的占位面积维持高响应度。在示例实施方案中，“慢光”技术通过人工设计的周期性介电结构来实现。结果，在不引入欧姆损耗的情况下有利地增强光
‑
物质相互作用。
[0069]
根据示例实施方案的设备配置
[0070]
根据示例实施方案，制造共享bp光子系统以实现公平且精确的比较用于慢光增强表征。共享bp光子系统包括根据示例实施方案的用于响应度增强的具有慢光效应的phcwg和用于比较的等长的亚波长光栅波导(swgwg)。图1(a)示出共享bp光子系统100的示意图。图1(b)示出图1(a)中的黑色方框的放大图，分别示出集成在phcwg和swgwg上的两个bp光检测器。图1(c)示出所制造的系统102的显微图像。图1(d)示出由图1(c)中的黑色方框表示的两个bp光电检测器的放大图。图1(e)示出bp传输之前phcwg和swgwg的扫描电子显微镜(sem)图像。图1(f)示出沿图1(d)中的白色虚线的40nm厚bp薄片的afm高度轮廓。图1(g)示出在被传输到波导之前在pdms压模上用于共享bp光子系统中的bp薄片的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都平行于图1中的白色虚线1(d)。
[0071]
更具体地，图1(a)示意性地示出共享bp光子系统100，其特征在于根据示例实施方案的phcwg的同时制造和具有相等长度的空间紧密的swgwg。因此，尽管bp薄片104的占位面积很小，phcwg和swgwg仍可以共享公用bp薄片104用于公平比较。在根据示例实施方案的phcwg设备和swgwg设备中，使用光纤到芯片的耦合方法，经由输入光栅耦合器例如106，将光路由到光子系统。接下来，光通过单个横向电(te)模式脊形波导例如108递送到光电检测区域并被bp薄片104的光电检测器吸收在波导表面上。输出光栅耦合器例如110被用于耦合残留的光，以帮助光学表征。将三个钛/金(ti/au)电极111
‑
113沿波导的侧面直接放置在bp
薄片104上，并靠近有效光
‑
bp相互作用区域，以有效收集光载流子。中间电极112由两个光电检测器作为接地电极共享，并且与其他两个电极111、113等距，以确保两个bp光电检测器具有相等的bp沟道长度。图1(c)和1(d)分别示出所制造设备的显微图像和两个光电检测器的放大图。bp薄片104从块状晶体剥离，并通过聚二甲基硅氧烷(pdms)压模将其传输到波导上。使用亚波长光栅(swg)包层来部分填充脊形波导芯两侧的空气沟槽，以通过为范德华力粘合提供更大表面积来协助bp薄片104的传输。对于phcwg，空气沟槽充满光子晶体结构，该结构已经能够提供帮助bp传输的相同功能，因此不需要额外的swg包层。
[0072]
bp薄片104的一个边缘与phcwg和swgwg的输入端口对准，而中间电极112在它们的输出端口处终止。结果，在phcwg和swgwg上的bp薄片104的一部分中产生的光载流子仅被电极111
‑
113有效地收集。因此，可以忽略由脊状波导上的bp薄片104的残留部分贡献的光响应。在下文中，phcwg以及其分配的输入和输出脊形波导(phcwg与其光耦合)被称为根据示例实施方案的phcwg系统，并且swgwg以及其分配的输入和输出脊形波导(swgwg与其光耦合)被称为swgwg系统。图1(e)给出bp传输之前phcwg和swgwg的sem图像。
[0073]
波导结构构建在具有500nm厚设备层的绝缘体上硅(soi)平台上。脊形波导例如108的宽度为1.2μm。横向沟槽的宽度设计为4μm，以提供足够的光学隔离。光子晶体(phc)由气孔的三角形晶格组成，其晶格常数为1.04μm并且半径为320nm。在光传播方向上，phcwg由10个周期的phc和通过去除整行气孔形成的线缺陷组成。简而言之，在phcwg中，通过将线缺陷引入phc平板中来形成波导。线缺陷破坏周期性并导致在带隙中存在一系列导模，这些导模在水平上被带隙限制并且在垂直上被全内反射限制。线缺陷优选在phcwg的两端与脊形波导对准，以便于phcwg和脊形波导之间的耦合。swg周期为600nm，小于约700nm的布拉格周期[1]。swg中的硅宽度为180nm，对应于0.3的占空比。简而言之，在swgwg中，中心波导与两侧的swg一起形成1d周期性。因此，中心波导不被视为线缺陷。中心波导与swg一起确定swgwg的能带结构，而不是中心波导将其他模式诱导到带隙中。中心波导优选地在swgwg的两端与脊形波导对准，以便于swgwg和脊形波导之间的耦合。
[0074]
原子力显微镜(afm)高度分布显示具有40nm的厚度的均匀的bp薄片(图1(f))。在这样的厚度下，bp薄片104具有接近于0.3ev的整体bp直接带隙的小带隙，确保在3.71
‑
3.84μm波长范围内的光子吸收的发生。图1(g)示出在被传输到波导上之前在pdms压模上的bp薄片的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都平行于图1(d)中的虚线114。三个声子峰a
g1
、b
2g
和a
g2
分别代表沿面外、锯齿和扶手椅方向的bp晶格振动模式。当b
2g
峰消失时，a
g2
峰的强度显著高于a
g1
峰的强度，这表明虚线114，即光传播方向，与bp薄片的扶手椅方向对准[2]。因此，传播模式的极化和载流子的传输方向是沿锯齿方向。
[0075]
根据示例实施方案的慢光增强机制
[0076]
周期性结构例如phcwg中的慢光机制可以简述如下。介电性质交替变化的周期性结构可以视为布拉格光栅。向前和向后传播的波彼此耦合，并在布拉格条件下(通常称为带边缘)形成驻波(停止的光)。由于在布拉格条件附近存在较大的一阶色散，因此会产生慢光。
[0077]
图2(a)示出bp传输之前和之后swgwg系统的透射光谱。图2(b)示出根据示例实施方案的phcwg系统在bp传输之前和之后的透射光谱。图2(c)示出bp吸收光谱和电场分布。点200：由swgwg以及其分配的输入和输出脊形波导组成的swgwg系统的测量bp吸收光谱。线
202：swgwg系统的模拟bp吸收光谱。线204：swgwg的模拟bp吸收光谱。线206：phcwg的模拟bp吸收光谱。插图：swgwg和phcwg中三种波长下的模拟电场分布。
[0078]
更具体地，通过测量bp传输之前和之后swgwg系统的透射光谱来表征bp薄片在根据示例实施方案的swgwg系统上诱导的吸收，如图2(a)所示。然而，无法以相同的方式确定在phcwg系统上的bp吸收，因为phcwg的带边缘由于bp薄片引起的模态有效指数的变化而发生偏移(图2(b))。因此，执行以下步骤以通过有限差分时域(fdtd)模拟比较两个光电检测器中的bp吸收。首先，对模拟精度进行测试。从swgwg系统上测量的bp吸收中提取bp的消光系数(κ)。然后将κ值应用于相应的fdtd模拟。通过在模拟中保持bp的折射率(n)不变(从[10]中提取)，通过比较具有这些活跃κ值的模拟透射光谱和具有零κ值的模拟透射光谱来获得bp吸收。如图2(c)所示，swgwg系统的测量与模拟结果之间的良好一致性证明了模拟方法的准确性。当波长接近其截止波长4.13μm时，bp吸收减弱。
[0079]
接下来，通过使用相同的fdtd模拟来比较phcwg和swgwg上的bp吸收。可以以这种方式精确地模拟光电检测器中的bp吸收，因为可以忽略bp对脊形波导的影响。在swgwg上，由于较短的光
‑
bp相互作用长度，相应的bp吸收光谱204显示的波长依赖性比swgwg系统200/202弱得多。在phcwg上，随着波长接近phcwg的带边缘并且显著大于swgwg上的波长，bp吸收206随着增强的慢光效应而增加。插图显示在swgwg和phcwg中在距phcwg带边缘不同距离的三个波长下的模拟电场分布。在接近带边缘时，phcwg中的电场在空间上被压缩，从而其强度增加，而swgwg中的电场分布几乎保持不变。结果，根据示例实施方案，慢光效应增强了phcwg中的光
‑
物质相互作用，从而导致更强的bp吸收。
[0080]
根据示例实施方案的慢光表征
[0081]
为了评估慢光性能，通常将phcwg嵌入到mach
‑
zehnder干涉仪(mzi)的一个臂中，该干涉仪将慢光诱导的相移转换为频域中的干涉图样。由于根据示例实施方案的用于bp光电检测器的phcwg仅包含10个周期的phc，所诱导的相移太小而不能在mzi透射谱中产生可区分的干涉图案。为了绕过此限制，在bp传输之前，phcwg的慢光性质通过同时制造的mzi来表征，其中嵌入其中的phcwg(以下称为mzi
‑
phcwg以避免混淆)包含具有与phcwg相同设计的50个周期的phc。结果，phcwg和mzi
‑
phcwg呈现相同的组指数谱。
[0082]
图3示出图示根据示例实施方案的利用嵌入有50周期phcwg的mzi的慢光表征的图，该mzi具有与用于bp积分的10周期phcwg的相同设计。图3(a)示出测量和模拟的mzi透射光谱。图3(b)示出从图3(a)的mzi透射光谱中提取的光谱组指数。图3(c)示出根据示例实施方案的在bp传输之后phcwg系统的测量的透射光谱，以及顶部覆盖有相同bp薄片的mzi的模拟透射光谱(插图：在带边缘附近放大)。图3(d)示出从图3(c)的mzi透射光谱中提取的光谱组指数。实线300：组指数的拟合曲线。图3(e)示出mzi的参考臂中的脊形波导和bp传输后的swgwg的色散曲线。
[0083]
更具体地，图3(a)示出mzi的测量和模拟的透射光谱。靠近带边缘，mzi
‑
phcwg中的组速度变慢，这增加mzi的两个臂之间的相位差，并导致更密集的干涉图样。因此，mzi传输频谱中的振荡的自由频谱范围(fsr)减小。可以使用以下公式[3]提取mzi
‑
phcwg的组指数(n
g
)：
[0084][0085]
其中是参考臂中脊形波导的组指数并且在所研究的光谱范围内几乎恒定在4.23，如通过平面波扩展方法计算的色散曲线所示(图3(e))，l
s
是mzi
‑
phcwg的长度，λ
max
和λ
min
是相邻的振动最大值和最小值的波长，分别对应于相长和相消干涉。从测量和模拟的mzi透射光谱中提取的mzi
‑
phcwg的组指数绘制在图3(b)中，表明彼此之间具有很好的一致性。
[0086]
接下来，评估bp传输后phcwg的慢光性质。由于将另一种具有相同光学性质的bp薄片传输到mzi
‑
phcwg上是不可行的，进行模拟以进行评估。该模拟设置被bp薄片覆盖的mzi
‑
phcwg，其厚度和方向与在根据实验示例实施方案的phcwg系统中用于phcwg的bp薄片相同。采用由swgwg系统上的bp表征获得的bp的复数折射率。如图3(c)所示，在带边缘位置方面，模拟的mzi传输频谱与phcwg系统的测量的传输频谱一致。使用等式(1)，从图3(c)的mzi传输光谱中提取bp传输后phcwg的组指数，并在图3(d)中绘制。与图3(b)相比，可以观察到，由于bp传输，组指数几乎保持其值不变并且其相应的波长随带边缘移动。结果表明，phcwg中的慢光受结构色散支配，即bp材料色散的贡献可忽略不计。对于swgwg，在bp传输后其组指数的计算方法与相同，并且几乎恒定为3.94，接近这证实在swgwg中不存在慢光或共振效应(参见图3(e)中的色散曲线)。
[0087]
根据示例实施方案的光谱光响应
[0088]
通过分别测量与根据示例实施方案的phcwg和swgwg集成的bp光电检测器的响应性来评估在光响应上的慢光增强。被两个bp光电检测器共享的同一bp薄片将比较的不准确性降到最低。如先前工作[4]中所揭示的，bp的光响应取决于bp的激发功率。因此，bp(p)上的激发功率，即与波导集成的bp光电检测器的入射功率被固定为126.9μw。在0.5v的固定偏置电压(v
bias
)下，测量两个光电检测器在开关照明下的时间响应。
[0089]
图4(a)示出在三个波长下根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器的时间响应；图4(b)示出在三个波长下swgwg集成的bp光电检测器的时间响应。图4(c)分别示出与根据示例实施方案的phcwg和swgwg集成的bp光电检测器的光谱响应。图4(d)示出根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器与swgwg集成的bp光检测器的响应度增强比，以及phcwg与swgwg的组指数增强比。
[0090]
更具体地，图4(a)和4(b)分别示出在与根据示例实施方案的phcwg和swgwg集成的bp光电检测器中在3.725、3.775和3.825μm处测量的光电流(i
光电流
＝i
光
‑
i
暗
)。随着照明，光电流急剧增加并饱和。高度可重复的光电流产生在两个设备中都表现出稳定且可逆的光响应。测量不同波长下的光电流并提取相应的响应度如图4(c)所示，在根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器中，响应度随着波长接近phcwg的带边缘而增加，并在3.825μm处达到最大值0.098a/w。不同地，由于短的swgwg上的bp吸收几乎是恒定的组指数和弱的波长依赖性，swgwg集成的bp光电检测器的响应度没有显示显著的波长依赖性。在图4(d)中，绘制根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器与swgwg集成的bp光检测器的响应增强比，以及phcwg相对于swgwg的组指数增强比。这两个增强比表现一致的光谱
趋势，从而验证了慢光效应增强响应度。在3.825μm处，组指数增加约26倍，在126.9μw的入射功率下，产生提高大于五倍的响应度。
[0091]
根据示例实施方案的功率依赖的光响应
[0092]
为了分析光响应的功率依赖性，分别测量与根据示例实施方案的phcwg和swgwg集成的bp光电检测器在不同入射功率下的光电流。图5(a)示出在在三个波长下根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器中光电流与入射功率之间的关系；图5(b)示出在三个波长下swgwg集成的bp光电检测器中光电流与入射功率之间的关系。图5(c)示出在三个波长下根据示例实施方案的phcwg集成bp光电检测器的功率依赖的响应度；图5(d)示出在三个波长下swgwg集成的bp光电检测器的功率依赖的响应度。实线是hornbeck
‑
haynes模型的拟合曲线。图5(d)的插图示出响应增强率与3.825μm处的入射功率之间的关系。
[0093]
更具体地，图5(a)和5(b)分别示出在与根据示例实施方案的phcwg和swgwg集成的bp光电检测器中在光电流和入射功率之间的测量的关系曲线，其斜率随着功率的增加而逐渐变平。该现象可以由陷阱诱导的光电导增益来解释。由于空穴的迁移率比bp中的电子高，光电流受光生空穴的收集效率支配，这在很大程度上取决于陷阱诱导的光电导增益[5]。bp中的缺陷例如位错和晶界导致bp带隙中形成陷阱态。能量高于bp费米能级的陷阱态为空，并且能够捕获电子。在照明下，产生电子
‑
空穴对，随后电子被电子陷阱捕获。电子捕获抑制电子
‑
空穴复合，延长光生空穴的寿命，并导致光电导增益。在较高的入射功率下，更多的电子陷阱被光生电子占据，因此空电子陷阱的可用性降低。如图5(c)和5(d)所示，一旦电子陷阱被填充，自由电子的数量就会增加，并且电子
‑
空穴复合的可能性也会增加，从而导致响应度降低。陷阱饱和诱导的功率依赖的光响应可以通过hornbeck
‑
haynes模型来描述，该模型包含以下等式组[6]：
[0094][0095][0096]
η＝1
‑
e
‑
αl
ꢀꢀꢀ
(2.3)
[0097][0098][0099]
其中p0是陷阱饱和发生时的入射功率，c是低入射功率下的响应度，k是现象学拟合参数，描述陷阱饱和后响应度随着入射功率的增加而衰减的速度，h是普朗克常数，v是激发光的频率，f0是陷阱饱和发生时的光子吸收率，η是bp的吸收百分比，α是bp的吸收系数，l是光
‑
bp的相互作用长度，q是单电荷，τ0和τ
tr
是载流子寿命和渡越时间，是光电导增益，l
c
是沟道长度，μ
h
是空穴迁移率。
[0100]
图5(c)和5(d)中的实线示出hornbeck
‑
haynes模型拟合曲线。两种设备的响应率在所有三个波长下都表现出很强的功率依赖性。在测试设置所限制的可测量范围内，即使入射功率低于0.1μw，响应度也会随着入射功率的降低而增加并且不会显示明显的饱和迹象，这表示两个光电检测器的p0低。几乎平行的拟合曲线表明，等式2.1中的现象学拟合参
数k由bp的固有性质决定，参见表1。
[0101][0102]
表1
[0103]
在根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器中，在1.128μw的入射功率下在3.825μm处实现1.445a/w的响应度。与先前工作[4]中在相同波长和功率条件下具有几乎相同沟道长度的40nm锯齿设备相比，在示例实施方案中，具有一半的施加电压偏置和八分之一的设备长度实现可比的响应度。在0.035μw的较低入射功率下，可获得11.31a/w的较高响应度。如图5(d)的插图所示，不仅响应度的绝对值更高，而且当入射功率减小并且可以超过10时，根据示例实施方案的由慢光效应实现的响应度增强率也增加。理论上，根据示例实施方案的慢光效应通过提供更强的光
‑
物质相互作用来帮助增加吸收系数α。根据等式(2.3)，慢光效应随后增强η并相应地倾向于降低p0，这表明通过提供较低的光能，电子陷阱更容易饱和。结果，在陷阱饱和之前，响应度增强率甚至可以更高。不幸的是，即使在参考swgwg集成的bp光电检测器中，由于p0太低而无法精确测量，这种趋势无法得到验证。这是由于通过吉时利源测量单元(smu)的信噪比(snr)确定的可测量光电流下限。结果，p0，并且因此c不能被精确地拟合，而k的拟合结果是可信的，因为k独立于p0和c。
[0104]
根据示例实施方案的电流噪声和噪声等效功率
[0105]
除响应度外，光电检测器的另一个重要评估标准是噪声等效功率它是光电检测器检测极限的量度。光电检测器的噪声主要由三部分组成：1/f噪声、散粒噪声和约翰逊噪声。图6(a)示出根据示例实施方案的与phcwg集成的bp光电检测器和与swgwg集成的bp光电检测器的光谱电流噪声功率密度。图6(b)示出暗电流，而图6(c)示出根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器和swgwg集成的bp光电检测器的散粒噪声 约翰逊噪声。图6(d)示出根据测量的响应度和噪声功率密度计算出的频谱nep。图6(e)示出在3.825μm下，根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器和swgwg集成的bp光电检测器的功率依赖的nep。
[0106]
更具体地，图6(a)示出根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器和swgwg集成的bp光电检测器的测量的电流噪声功率密度谱。这两个光谱实际上彼此重叠并且平行于
1/f基准线，这意味着噪声主要由1/f噪声控制，这主要源自bp沟道中作为陷阱的缺陷[7]。测量的噪声比散粒噪声和由暗电流计算的约翰逊噪声之和高出几个数量级(参见图6(b)和(c))。
[0107]
使用以下公式从暗电流i
暗
计算散粒噪声i
s
和约翰逊噪声i
j
：
[0108]
(i
s
)2＝2qi
暗
·
δf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.1)
[0109]
(i
j
)2＝4k
b
t
·
δf
·
i
暗
/v
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.2)
[0110]
其中q是基本电荷，δf是带宽，k
b
是玻尔兹曼常数，t是温度。
[0111]
返回图6(a)，由于噪声功率密度近似相等，根据本发明的实施方案的慢光效应增强的响应度等效地降低nep。从图4(c)和6(a)中提取在800hz的信号调制频率下nep与波长的函数并绘制在图6(d)中。当波长接近phcwg的带边缘时，根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器的nep减小，而swgwg集成的bp光电检测器的nep由于其几乎恒定的响应度没有表现出显著的波长依赖性。还从图5(c)、5(d)和6(a)中提取3.825μm的nep与入射功率的函数并绘制在图6(e)中。在较低的入射功率下，可以将根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器的nep抑制到低于swgwg集成的bp光电检测器的nep的十分之一，并在0.035μw入射功率下达到0.012nw/hz
1/2
。
[0112]
为了进一步研究在本发明的示例实施方案中使用的bp材料的性质，在覆盖有90nm二氧化硅(sio2)的重掺杂硅基板上制造另外两个具有自由空间几何形状的bp场效应晶体管，以下称为设备a和设备b，设备a如图7(a
‑
d)所示，并且设备b如图7(e)
‑
(h)所示。图7(a)示出制造的设备a的显微图像；图7(b)示出沿图7(a)中的虚线的16.5nm厚的bp薄片的afm高度轮廓；图7(c)示出bp薄片的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都与图7(a)中的虚线平行；图7(d)以线性和对数标度示出在0.5v源极
‑
漏极偏置下的传输曲线。线性区域的斜率用于空穴迁移率提取。图7(e)示出所制造的设备b的显微图像；图7(f)示出沿图7(e)中的虚线的45nm厚的bp薄片的afm高度分布；图7(g)示出bp薄片的拉曼光谱，其中入射激光偏振和检测偏振都与图7(e)中的虚线平行；图7(h)示出零栅极偏置下的传输线方法结果，从中提取ti/au电极在bp上的接触电阻。同样，将ti/au电极用于电接触。使用相同的偏振分辨拉曼光谱确定设备a和b中bp薄片的晶体取向。同样，载流子传输方向与设备a和b中的bp薄片的锯齿取向一致。
[0113]
更具体地，使用背栅(图7(d))测量的传输曲线示出设备a的良好栅极控制性能，开关比为约～102。通过沉积较薄的顶栅介电层，可以在根据示例实施方案的bpphcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器中实现更好的栅极控制。根据μ
eff
＝(δi
d
δv
g
)(l
c
w
c
vdc
ox
)评估场效应迁移率，其中i
d
是源极
‑
漏极电流，v
g
是背栅偏置，δi
d
δv
g
是从传输曲线中的线性区域的斜率提取的，l
c
是沟道长度，w
c
是沟道宽度，v
d
是源极
‑
漏极偏置，并且c
ox
是栅极电容。场效应迁移率经计算为78.91cm2/v/s，由于沿锯齿方向的载流子迁移率低于沿扶手椅方向的载流子迁移率[11]，因此比以前的工作低约25％，并且水平与其他报道的具有类似薄片厚度的锯齿设备的水平相同[5，12，13]。在设备b上铺设四个不同间距的电极。使用传输线方法(tlm)，测量的ti/au电极在bp上的接触电阻为9.05kω
·
μm，接近报道值[14]。根据tlm结果，根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器的电阻评估为14.03kω，接近18.5kω的测量值(图6(b))。这种一致性表现出可接受的材料性质变化和良好的制造工艺可重复性。
[0114]
为了确定根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器中光电流产生的主要机理，评估在设备b中的电极3和4之间在3.825μm波长处形成的晶体管的光响应。随着由sio2包层引起的吸收损耗从3.6μm开始向前增加[15]，辐射热效应可能有助于根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器中的sio2包层吸收光并升高温度的光响应，导致bp电导率变化。为了探索可能的辐射热测定对检测机制的贡献，在不同温度下测量设备b的时间光响应。如图8(a)所示，光电流随温度升高而降低，这意味着bp电导率降低。其符号相对于暗电流(或源极
‑
漏极偏置)为负的辐射热光电流与根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器在光学照明下观察到的情况相反，这在根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器中排除辐射热效应作为主要的光响应机制提供直接证据[12，16，17]。尽管如此，通过采用没有sio2包层的其他材料平台，可以抑制来自辐射热响应的潜在负面影响，例如蓝宝石上的硅[18]，氮化硅上的氮化硅[19]和氟化钙上的硅氟化物[20]。
[0115]
还通过用光斩波器调制激光束并使用锁定放大器收集光电流来检查设备b的频率响应。如图8(b)所示，由于沟道中的自由载波减少，3
‑
db带宽随入射功率的降低而减小。进一步降低入射功率，沟道中光生自由载流子浓度变得明显低于陷阱态浓度。因此，动态带宽仅由有效电荷捕获时间决定并且趋于稳定。这样的趋势与通过上述hornbeck
‑
haynes模型给出的预测非常吻合并清楚地验证根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器的光响应受光选通效应支配，其中光生电子空穴被捕获在局域态并充当局部门极，而自由的光生空穴循环多次直到被复合消灭，从而导致较大的光导增益[5，21]。尽管延长的空穴寿命不可避免地损害检测速度，但这在mir传感应用中可能不是关键问题，因为与电信不同，在大多数以灵敏度为主要关注的传感情况下，高速并不是强制性的。
[0116]
此外，如图8(c)的小图所示，为设备b建立等效电路模型以了解rc常数极限，其中r
bp
是bp电阻，c
bp
是bp电容，r
c
是bp
‑
金属接触电阻，c
p
是接触垫电容，r
s
是接触垫的串联电阻，并且r
l
是50ω负载电阻。r
bp
和r
c
是从tlm测量结果提取的。c
bp
是根据bp沟道尺寸评估的，并采用类似的光电检测器作为参考[22]。c
p
和r
s
根据接触垫尺寸计算。这些参数的值在表2中列为组1。
[0117][0118][0119]
表2
[0120]
如图8(c)所示，rc限制的3
‑
db带宽为1.0ghz，比测量的3
‑
db带宽大许多数量级。如
图9所示并结合表2，c
bp
需大至几十nf(即组4)以将rc限制的3
‑
db带宽降低到与测量的带宽相同的水平，这对于bp晶体管是难以达到的[23]。这些结果表明，根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器的响应速度不是主要受rc常数，而是上述陷阱诱导的光电导增益限制。
[0121]
根据示例实施方案的制造方法
[0122]
参考图10，根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器的制造始于8英寸soi晶圆1000，该晶圆具有500nm厚的设备层1002和2μm厚的掩埋氧化物(box)绝缘层1004。波导图样使用zep
‑
520a抗蚀剂1006通过电子束光刻(ebl)(jeol jbx
‑
6300fs)限定，然后通过sf6/c4f8深反应离子刻蚀(drie)(oxford plasmalab system 100)传输到si设备层1002。具体地，抗蚀剂层1006上与沟槽、swg的缝隙、phc的空穴和光栅耦合器的空穴相对应的区域在ebl步骤期间暴露于电子束，然后暴露区域的抗蚀剂1006被抗蚀剂显影剂去除。接下来，通过drie蚀刻那些区域中的si设备层1002，同时通过其他区域中的抗蚀剂1006对其进行保护。进行氧等离子体蚀刻(spi plasma prep iii)以去除残留的抗蚀剂1006，并氧化波导表面以辅助随后的bp传输。bp薄片例如1008首先通过胶带从块状晶体1010上机械剥离，然后将其传输到载玻片上的pdms压模1012上。接下来，使用由显微镜、显微操纵器和样品台组成的传输站，将选定的bp薄片1008传输到波导上。通过另一个ebl步骤以聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)作为抗蚀剂1016对电极进行构图。随后，通过电子束蒸发(aja)沉积10nm ti和100nm au 1018，然后在丙酮中剥离以形成金属触点1020、1022。
[0123]
注意，可以在不同的实施方案中采用可以支持中红外光传播的任何其他材料平台，例如蓝宝石上硅(sos)、氮化硅上硅(son)、绝缘体上氮化硅(snoi)、绝缘体上锗(goi)、氮化硅上锗(gosn)、硅上锗(gos)、绝缘体上氮化铝(alnoi)等。可以在不同的实施方案中使用在所述中红外波长范围中表现出光吸收的任何其他类型的二维材料，例如黑砷磷，二硒化钯，石墨烯，二硒化铂等。它们可以通过与在此描述的示例实施方案相同的机械剥离和传输方法与波导集成。
[0124]
对于设备a和b，将bp薄片通过胶带从块状晶体中机械剥离，然后传输到覆盖有90nm热sio2的重掺杂si基板上。使用与根据示例实施方案的bp phcwg光电检测器和参考bp swgwg光电检测器相同的工艺来制造源极/漏极。
[0125]
使用的表征方法
[0126]
拉曼光谱通过witec alpha 300r用532nm激光测量。bp薄片的高度轮廓通过afm(bruker fastscan)测量。keithley 4200
‑
scs半导体表征系统用于施加电压偏置并测量电流。连续波激光器(daylight solutions mircat
‑
1200)通过znse聚焦透镜(innovation photonics lfo
‑5‑
6)发射到zrf4 mir光纤(thorlabs p3
‑
23z
‑
fc
‑
2)中，并与具有六轴对准台(kohzu)的设备对准。对于波导光电检测器，将输出光耦合到另一根mir光纤并导向pbse mir检测器(thorlabs pda20h
‑
ec)。使用光学斩波器(stanford research systems sr540)来调制光信号。锁定放大器(stanford research systems sr830)用于收集来自商用检测器或制造的检测器的光响应信号。用功率计(newport 843
‑
r)校准不同光纤端口的光强度。使用低噪声电流前置放大器(stanford research system sr570)、动态信号分析仪(hewlett
‑
packard 35670a)和参数分析仪(agilent 4155b)来测量噪声功率密度。所有测量均在环境温度和室温下进行。
[0127]
在一个实施方案中，提供一种中红外波导集成的光电检测器，该光检测器包括在基板上形成并被配置为引导中红外波长范围中的光信号的波导；任选地与所述波导光耦合的光子晶体结构，所述光子晶体结构表现出具有所述中红外波长范围中的带隙；在所述光子晶体结构上布置的二维材料，所述二维材料在所述中红外波长范围中表现出光的吸收；连接到所述二维材料的电极，用于在所述二维材料上施加偏置电压并检测所述光信号的吸收。
[0128]
光子晶体结构可以在平行于波导的传播方向的方向上包括线缺陷。线缺陷可以与波导的传播方向对准。
[0129]
二维材料可以包括黑磷、黑砷磷、二硒化钯、石墨烯、二硒化铂或在所述中红外波长范围中表现出光的吸收的其他类型的二维材料。
[0130]
基板上的波导可以包括绝缘体上硅(soi)、蓝宝石上硅(sos)、氮化物上硅(son)、绝缘体上氮化硅(snoi)、绝缘体上锗(goi)、氮化硅上锗(gosn)、硅上锗(gos)、绝缘体上氮化铝(alnoi)或可支持光在所述中红外波长范围中传播的任何其他材料平台的设备层。
[0131]
在3.825μm的波长下在0.5v的偏置下，光电检测器可以表现出11.31a/w的响应度。
[0132]
在3.825μm的波长下在0.5v的偏置下，光电检测器可以表现出0.012nw/hz
1/2
的噪声等效功率。
[0133]
该波导可以包括脊形波导。
[0134]
在一个实施方案中，提供一种制造中红外波导集成的光电检测器的方法，如图11中的流程图1100所示。所述方法包括以下步骤：(1102)在基板上形成波导并且被配置为引导中红外波长范围中的光信号；(1104)形成与波导光耦合的光子晶体结构，所述光子晶体结构表现出具有所述中红外波长范围中的带边缘的带隙；(1106)在所述光子晶体结构上布置二维材料，所述二维材料在所述中红外波长范围中表现出光的吸收；(1108)提供连接到所述二维材料的电极，用于在所述二维材料上施加偏置电压并检测所述光信号的吸收。
[0135]
形成光子晶体结构可以包括在与波导的传播方向平行的方向上形成线缺陷。线缺陷可以与波导的传播方向对准。
[0136]
二维材料可以包括黑磷、黑砷磷、二硒化钯、石墨烯、二硒化铂或在所述中红外波长范围中表现出光的吸收的其他类型的二维材料。
[0137]
基板上的脊形波导可以由绝缘体上硅(soi)、蓝宝石上硅(sos)、氮化物上硅(son)、绝缘体上氮化硅(snoi)、绝缘体上锗(goi)、氮化硅上锗(gosn)、硅上锗(gos)、绝缘体上氮化铝(alnoi)或支持光在中红外波长范围中传播的任何其他材料平台的设备层形成。
[0138]
波导可以形成为脊形波导。
[0139]
如参考以上示例实施方案所述，通过利用phcwg中的慢光效应，可以提供具有高响应性并且通过光
‑
物质相互作用增强而具有最小化占位面积的波导集成的bp mir光电检测器。慢光效应在空间上压缩光场，因此增强它与bp原子层的相互作用，导致更强的光吸收。根据示例实施方案，共享bp光子系统被设计并用于公平和精确地表征慢光增强。该系统具有两个相同的bp光电检测器，该bp光电检测器基于由根据一个示例实施方案的phcwg并入的光电检测器共享的相同bp薄片和具有相等长度但没有慢光效应的在空间上紧密并入swgwg的光电检测器制成。通过比较两个bp光电检测器之间的响应度来验证根据示例实施
方案的慢光增强。通过实验还表明，根据示例实施方案的bp光电检测器的陷阱饱和区域中的噪声和功率依赖性都不会由于慢光效应而恶化。在3.825μm的波长和103.3的组指数下，可以实现高于十倍的响应度增强，导致在设备长度仅为10μm的根据示例实施方案的phcwg集成的bp光电检测器中在0.5v的偏置下，响应度为11.31a/w，并且nep为0.012nw/hz
1/2
。即使当工作在bp的截止波长附近时，本发明的实施方案也有利地以低的电压偏置和小的设备占位面积来维持高响应度。在不同的实施方案中，采用其他类型的二维材料针对不同波长的光电检测器也可以方便地采用慢光增强技术，例如，波长至多8.2μm的黑砷磷[8]，波长至多12.4μm的二硒化钯[9]，石墨烯(无波长上限[24])，二硒化铂(至多11.5μm[25])或其他类型的二维材料，只要它们在所述中红外波长范围中表现出光的吸收。本发明的实施方案可以潜在地用于构造用于各种应用的微型高性能集成芯片上的mir传感器，包括：
[0140]
1)痕量气体检测；
[0141]
2)环境监测；
[0142]
3)工业过程控制；
[0143]
4)医学诊断；
[0144]
5)国土安全；
[0145]
6)导弹制导。
[0146]
本发明的实施方案可以具有以下特点中的一个或多个以及相关的益处/优点：
[0147][0148]
系统和方法的图示实施方案的以上描述并非旨在穷举或限制系统和方法为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述系统组件和方法的具体实施方案和实施例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等效修改。本文提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅适用于上述系统和方法。
[0149]
本领域技术人员将认识到，如具体实施方案所示，可以对本发明进行多种变化和/或修改，而不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围。因此，本实施方案在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的。而且，即使在权利要求或本实施方案的详细描述中未明确指定特征或特征组合，本发明也包括针对不同实施方案描述的特征的任何组合(包括在概述部分中)。
[0150]
通常，在以下权利要求书中，不应将所使用的术语解释为将系统和方法限于说明书和权利要求书中公开的具体实施方案，而应解释为包括在权利要求书下操作的所有处理系统。因此，该系统和方法不受本公开的限制，而是该系统和方法的范围将完全由权利要求
书确定。
[0151]
除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应理解为包括性含义，而不是排他性或穷举性含义；也就是说“包括但不限于”的含义。使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。另外，词语“在此”、“在此之下”、“在上方”、“在下方”和类似含义的词语整体上是指本技术，而不是本技术的任何特定部分。当单词“或”用于指两个或多个项目的列表时，该词语涵盖该词语的以下所有解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目以及列表中的项目的任何组合。
[0152]
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