Quantum-Tuned Cascade Multijunction Infrared Photodetector

光电子学 光电探测器 材料科学 光电二极管 雪崩光电二极管 量子点 红外线的 半导体 带宽(计算) 带隙 兴奋剂 光学 探测器 物理 电信 计算机科学
作者
Wenjia Zhou,Rui Xu,Haobo Wu,Xianyuan Jiang,Hao Wang,F. Pelayo Garcı́a de Arquer,Zhijun Ning
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (19): 18864-18872 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c03852
摘要

Emerging applications such as augmented reality, self-driving vehicles, and quantum information technology require optoelectronic devices capable of sensing a low number of photons with high sensitivity (including gain) and high speed and that could operate in the infrared at telecom windows beyond silicon's bandgap. State-of-the-art semiconductors achieve some of these functions through costly and not easily scalable doping and epitaxial growing methods. Colloidal quantum dots (QDs), on the other hand, could be easily tuned and are compatible with consumer electronics manufacturing. However, the development of a QD infrared photodetector with high gain and high response speed remains a challenge. Herein, we present a QD monolithic multijunction cascade photodetector that advances in the speed-sensitivity-gain space through precise control over doping and bandgap. We achieved this by implementing a QD stack in which each layer is tailored via bandgap tuning and electrostatic surface manipulation. The resulting junctions sustain enhanced local electric fields, which, upon illumination, facilitate charge tunneling, recirculation, and gain, but retain low dark currents in the absence of light. Using this platform, we demonstrate an infrared photodetector sensitive up to 1500 nm, with a specific detectivity of ∼3.7 × 1012 Jones, a 3 dB bandwidth of 300 kHz (0.05 cm2 device), and a gain of ∼70× at 1300 nm, leading to an overall gain-bandwidth product over 20 MHz, in comparison with 3 kHz of standard photodiode devices of similar areas.
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