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基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

洪霞 郭雄彬 方旭 李衎 叶辉

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

洪霞, 郭雄彬, 方旭, 李衎, 叶辉
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  • 金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2013CB6321040);浙江省自然科学基金(批准号: LZ12F04002);浙江省科技计划(批准号: 2011F20021)和浙江大学现代光学仪器国家重点实验室项目(批准号: moi2010021)资助的课题.
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    Ren F F, Ang K W, Ye J D, Yu M B, Lo G Q, Kwong D L 2011 Nano Lett. 11 1289

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    Eryilmaz S B, Tidin O, Okyay A K 2012 IEEE Photon. Tech. Lett. 24 548

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    Crouse D, Keshavareddy P 2005 Opt. Exp. 13 7760

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    Bouchon P, Pardo F, Potirer B, Ferlazzo L, Ghenuche P, Dagher G, Dupuis C, Bardou N, Haïdar R, Pelouard J L 2011 Appl. Phys. Lett. 98 191109

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    Han Z, Forsberg E, He S 2007 IEEE Photon. Tech. Lett. 19 91

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    Han Z, Forsberg E, He S 2007 IEEE Photon. Tech. Lett. 19 91

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出版历程
  • 收稿日期:  2013-04-17
  • 修回日期:  2013-05-09
  • 刊出日期:  2013-09-05

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

  • 1. 浙江大学光电信息工程学系, 现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027;
  • 2. 浙江省能源与核技术应用研究院, 杭州 310012
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2013CB6321040)

    浙江省自然科学基金(批准号: LZ12F04002)

    浙江省科技计划(批准号: 2011F20021)和浙江大学现代光学仪器国家重点实验室项目(批准号: moi2010021)资助的课题.

摘要: 金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径.

English Abstract

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