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Waveguide-Integrated MoTe2 p–i–n Homojunction Photodetector

同质结 光电探测器 暗电流 响应度 光探测 光电子学 波导管 材料科学 光电流 光电二极管 光学 物理 异质结
作者
Chen Li,Ruijuan Tian,Xiaoqing Chen,Linpeng Gu,Zheng‐Dong Luo,Qiao Zhang,Ruixuan Yi,Zhiwen Li,Biqiang Jiang,Yan Liu,Andrés Castellanos-Gómez,S. J. Chua,Xiaomu Wang,Zhipei Sun,Jianlin Zhao,Xuetao Gan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 20946-20955 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c08549
摘要

Two-dimensional (2D) materials, featuring distinctive electronic and optical properties and dangling-bond-free surfaces, are promising for developing high-performance on-chip photodetectors in photonic integrated circuits. However, most of the previously reported devices operating in the photoconductive mode suffer from a high dark current or a low responsivity. Here, we demonstrate a MoTe2p-i-n homojunction fabricated directly on a silicon photonic crystal (PC) waveguide, which enables on-chip photodetection with ultralow dark current, high responsivity, and fast response speed. The adopted silicon PC waveguide is electrically split into two individual back gates to selectively dope the top regions of the MoTe2 channel in p- or n-types. High-quality reconfigurable MoTe2 (p-i-n, n-i-p, n-i-n, p-i-p) homojunctions are realized successfully, presenting rectification behaviors with ideality factors approaching 1.0 and ultralow dark currents less than 90 pA. Waveguide-assisted MoTe2 absorption promises a sensitive photodetection in the telecommunication O-band from 1260 to 1340 nm, though it is close to MoTe2's absorption band-edge. A competitive photoresponsivity of 0.4 A/W is realized with a light on/off current ratio exceeding 104 and a record-high normalized photocurrent-to-dark-current ratio of 106 mW-1. The ultrasmall capacitance of p-i-n homojunction and high carrier mobility of MoTe2 promise a high dynamic response bandwidth close to 34.0 GHz. The proposed device geometry has the advantages of employing a silicon PC waveguide as the back gates to build a 2D material p-i-n homojunction directly and simultaneously to enhance light-2D material interaction. It provides a potential pathway to develop 2D material-based photodetectors, laser diodes, and electro-optic modulators on silicon photonic chips.
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