High-Performance Waveguide-Integrated Bi2O2Se Photodetector for Si Photonic Integrated Circuits

响应度 材料科学 光电探测器 光电子学 暗电流 波导管 光子学 光子集成电路 谐振器 化学气相沉积
作者
Jianghong Wu,Maoliang Wei,Jianglong Mu,Hui Ma,Chuyu Zhong,Yuting Ye,Chunlei Sun,Bo Tang,Li‐Chun Wang,Junying Li,Xiaomin Xu,Bilu Liu,Lan Li,Hongtao Lin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (10): 15982-15991 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c04359
摘要

Due to the excellent electrical and optical properties and their integration capability without lattice matching requirements, low-dimensional materials have received increasing attention in silicon photonic circuits. Bi2O2Se with high carrier mobility, narrow bandgap, and good air stability is very promising for high-performance near-infrared photodetectors. Here, the chemical vapor deposition method is applied to grow Bi2O2Se onto mica, and our developed polycarbonate/polydimethylsiloxane-assisted transfer method enables the clean and intact transfer of Bi2O2Se on top of a silicon waveguide. We demonstrated the Bi2O2Se/Si waveguide integrated photodetector with a small dark current of 72.9 nA, high responsivity of 3.5 A·W-1, fast rise/decay times of 22/78 ns, and low noise-equivalent power of 15.1 pW·Hz-0.5 at an applied voltage of 2 V in the O-band for transverse electric modes. Additionally, a microring resonator is designed for enhancing light-matter interaction, resulting in a wavelength-sensitive photodetector with reduced dark current (15.3 nA at 2 V) and more than a 3-fold enhancement in responsivity at the resonance wavelength, which is suitable for spectrally resolved applications. These results promote the integration of Bi2O2Se with a silicon photonic platform and are expected to accelerate the future use of integrated photodetectors in spectroscopy, sensing, and communication applications.
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