Topological Insulator Bi2Se3 Heterojunction with a Low Dark Current for Midwave Infrared Photodetection

光探测 响应度 拓扑绝缘体 暗电流 红外线的 光电子学 异质结 比探测率 材料科学 光电效应 物理 电场 极化(电化学) 光电探测器 光学 凝聚态物理 化学 物理化学 量子力学
作者
Tiange Zhao,Yue Chen,Tengfei Xu,Fang Zhong,Yiye Yu,Hang Ma,Kun Zhang,Shikun Duan,Jiapeng Hu,Shi‐Cheng Wang,Jiaxiang Guo,Zhen Wang
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:11 (6): 2450-2458 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.4c00347
摘要

Broadband photodetection including midwave infrared (MWIR) is crucial in space science and technology. Topological insulators Bi2Se3 have exhibited excellent performance in infrared. However, the large dark current caused by topological surface states impedes further photodetection capability enhancement. Here, we designed and integrated the Bi2Se3/BP van der Waals p-n heterojunction to suppress dark current. The built-in electric field and clean, sharp interface at heterojunctions drive excellent photoresponse of the Bi2Se3/BP photodetector from visible to mid-infrared (520–4250 nm) with the fastest response time reaching 92 μs (τrising) and 84 μs (τfalling), 3 orders of magnitude faster than Bi2Se3 detector. The responsivity (R) and detectivity (D*) can reach up to 1.13 A W-1 and 7.8 × 109 cm Hz1/2 W-1, respectively, at 2 μm under 0 bias. Due to the asymmetric lattice structure of BP, the heterojunction device displays outstanding polarization-resolved photoelectric response, with a polarization ratio of up to 20.1 at 2 μm. Moreover, the device exhibits a significant blackbody response and excellent imaging capabilities. This work may pave a way for designing high-performance midwave infrared photodetectors.
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