Waveguide-integrated black phosphorus photodetector with high responsivity and low dark current

光电探测器 响应度 光电子学 暗电流 材料科学 石墨烯 光电流 带隙 物理 波导管 光探测 光学 光子学 纳米技术
作者
Nathan Youngblood,Che Chen,Steven J. Koester,Mo Li
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:9 (4): 247-252 被引量:901
标识
DOI:10.1038/nphoton.2015.23
摘要

Layered two-dimensional materials have demonstrated novel optoelectronic properties and are well suited for integration in planar photonic circuits. Graphene, for example, has been utilized for wideband photodetection. However, because graphene lacks a bandgap, graphene photodetectors suffer from very high dark current. In contrast, layered black phosphorous, the latest addition to the family of two-dimensional materials, is ideal for photodetector applications due to its narrow but finite bandgap. Here, we demonstrate a gated multilayer black phosphorus photodetector integrated on a silicon photonic waveguide operating in the near-infrared telecom band. In a significant advantage over graphene devices, black phosphorus photodetectors can operate under bias with very low dark current and attain an intrinsic responsivity up to 135 mA W−1 and 657 mA W−1 in 11.5-nm- and 100-nm-thick devices, respectively, at room temperature. The photocurrent is dominated by the photovoltaic effect with a high response bandwidth exceeding 3 GHz. A gated multilayer black phosphorus photodetector integrated on a silicon photonic waveguide operating in the telecom band is demonstrated with intrinsic responsivity up to 135 mA W−1 and 657 mA W−1 in 11.5-nm- and 100-nm-thick devices, respectively.
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