Waveguide-Integrated van der Waals Heterostructure Mid-Infrared Photodetector with High Performance

光电探测器 响应度 光电子学 材料科学 光子学 异质结 波导管 探测器 范德瓦尔斯力 红外线的 绝缘体上的硅 硅光子学 光学 物理 量子力学 分子
作者
Po‐Liang Chen,Yueyang Chen,Tian-Yun Chang,Weiqing Li,Jiaxin Li,Seokhyeong Lee,Zhuoran Fang,Mo Li,Arka Majumdar,Chang‐Hua Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (21): 24856-24863 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsami.2c01094
摘要

Extending the operation wavelength of silicon photonics to the mid-infrared (mid-IR) band will significantly benefit critical application areas, including health care, astronomy, and chemical sensing. However, a major hurdle for mid-IR silicon photonics has been the lack of high-speed, high-responsivity, and low noise-equivalent power (NEP) photodetectors. Here, we demonstrate a van der Waals (vdW) heterostructure mid-IR photodetector integrated on a silicon-on-insulator (SOI) waveguide. The detector is composed of vertically stacked black phosphorus (BP)/molybdenum ditelluride (MoTe2). We measured high responsivity (up to 0.85 A/W) over a 3-4 μm spectral range, indicating that waveguide-confined light could strongly interact with vdW heterostructures on top. In addition, the waveguide-integrated detector could be modulated at high speed (>10 MHz) and its switching performance shows excellent stability. These results, together with the noise analysis, indicate that the NEP of the detector is as low as 8.2 pW/Hz1/2. This reported critical missing piece in the silicon photonic toolbox will enable the wide-spread adoption of mid-IR integrated photonic circuits.
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