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Ultra-weak infrared light detection based on steep-slope phototransistors

红外线的 陡坡 遥感 环境科学 光电子学 物理 光学 地质学 岩土工程
作者
Jiaxin Mei,Junzhuan Wang,Xuetao Gan,Xiaomu Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-59006-8
摘要

A photodetector's sensitivity is conventionally quantified by specific detectivity, which balances responsivity and noise. However, we reveal that the turn-on threshold power is fundamentally governed by photo-carrier injection rather than detectivity. In conventional phototransistors/diodes, incident light cannot generate photocurrent via thermionic injection until its intensity saturates the surface potential. To overcome this limit, we design a photo-tunneling transistor with a partially dual-gated black phosphorus channel. This device breaks the injection barrier, achieving a temperature-independent subthreshold swing of ~50 mV/dec up to 250 K and reducing the threshold power by over an order of magnitude. At 80 K, it detects mid-wave infrared light with a minimum power of ~35 pW, outperforming conventional phototransistors with higher detectivity by ~30-fold. Our work redefines the sensitivity criteria for photodetectors and highlights the potential of steep-slope transistors in low-power optoelectronics, offering a pathway to ultrasensitive infrared sensing and imaging technologies.
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