Photodétecteur à hétérojonction PN van der Waals intégré sur puce avec faible courant noir et haute responsivité

Les matériaux bidimensionnels sont attrayants pour la construction de photodétecteurs intégrés à puce photoniques haute performance en raison de leurs propriétés électroniques et optiques remarquables et de leurs surfaces sans liaisons pendantes. Cependant, les photodétecteurs à matériau bidimensionnel intégrés sur puce rapportés étaient principalement mis en œuvre avec une configuration métal-semi-conducteur-métal, souffrant de courants noirs élevés et de faibles responsivités à grande vitesse de fonctionnement. Ici, nous rapportons un photodétecteur à hétérojonction PN van der Waals, composé de phosphore noir de type p et de tellurure de molybdène de type n, intégré sur un guide d'onde en nitrure de silicium. Le champ électrique interne de l'hétérojonction PN supprime considérablement le courant noir et améliore la responsivité. Sous une tension de 1 V allant du tellurure de molybdène de type n au phosphore noir de type p, le courant noir est inférieur à 7 nA, ce qui est plus de deux ordres de grandeur inférieur à ceux rapportés dans d'autres photodétecteurs à phosphore noir intégrés sur guide d'onde. Une responsivité intrinsèque allant jusqu'à 577 mA W-1 est obtenue. Remarquablement, l'hétérojonction PN van der Waals est réglable par dopage électrostatique pour encore mieux concevoir sa rectification et améliorer la photodétection, permettant une responsivité accrue de 709 mA W-1. De plus, le photodétecteur à hétérojonction présente une bande passante de réponse d'environ 1,0 GHz et une photodétection uniforme sur une large gamme spectrale, mesurée expérimentalement de 1500 à 1630 nm. Le photodétecteur à hétérojonction PN van der Waals intégré sur puce démontré avec faible courant noir, haute responsivité et réponse rapide a un grand potentiel pour développer des photodétecteurs haute performance sur puce pour divers circuits intégrés photoniques basés sur le silicium, le niobate de lithium, les polymères, etc.