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High-Performance Waveguide-Integrated Bi2O2Se Photodetector for Si Photonic Integrated Circuits
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2021-10-15 , DOI: 10.1021/acsnano.1c04359 Jianghong Wu 1, 2, 3 , Maoliang Wei 1 , Jianglong Mu 4 , Hui Ma 1 , Chuyu Zhong 1 , Yuting Ye 2, 3 , Chunlei Sun 2, 3 , Bo Tang 5 , Lichun Wang 1 , Junying Li 1 , Xiaomin Xu 4 , Bilu Liu 4 , Lan Li 2, 3 , Hongtao Lin 1
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2021-10-15 , DOI: 10.1021/acsnano.1c04359 Jianghong Wu 1, 2, 3 , Maoliang Wei 1 , Jianglong Mu 4 , Hui Ma 1 , Chuyu Zhong 1 , Yuting Ye 2, 3 , Chunlei Sun 2, 3 , Bo Tang 5 , Lichun Wang 1 , Junying Li 1 , Xiaomin Xu 4 , Bilu Liu 4 , Lan Li 2, 3 , Hongtao Lin 1
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Due to the excellent electrical and optical properties and their integration capability without lattice matching requirements, low-dimensional materials have received increasing attention in silicon photonic circuits. Bi2O2Se with high carrier mobility, narrow bandgap, and good air stability is very promising for high-performance near-infrared photodetectors. Here, the chemical vapor deposition method is applied to grow Bi2O2Se onto mica, and our developed polycarbonate/polydimethylsiloxane-assisted transfer method enables the clean and intact transfer of Bi2O2Se on top of a silicon waveguide. We demonstrated the Bi2O2Se/Si waveguide integrated photodetector with a small dark current of 72.9 nA, high responsivity of 3.5 A·W–1, fast rise/decay times of 22/78 ns, and low noise-equivalent power of 15.1 pW·Hz–0.5 at an applied voltage of 2 V in the O-band for transverse electric modes. Additionally, a microring resonator is designed for enhancing light–matter interaction, resulting in a wavelength-sensitive photodetector with reduced dark current (15.3 nA at 2 V) and more than a 3-fold enhancement in responsivity at the resonance wavelength, which is suitable for spectrally resolved applications. These results promote the integration of Bi2O2Se with a silicon photonic platform and are expected to accelerate the future use of integrated photodetectors in spectroscopy, sensing, and communication applications.
中文翻译：
用于硅光子集成电路的高性能波导集成 Bi2O2Se 光电探测器
由于优异的电学和光学特性及其集成能力，无需晶格匹配，低维材料在硅光子电路中受到越来越多的关注。Bi 2 O 2 Se 具有高载流子迁移率、窄带隙和良好的空气稳定性，在高性能近红外光电探测器方面非常有前景。在这里，应用化学气相沉积方法在云母上生长 Bi 2 O 2 Se，我们开发的聚碳酸酯/聚二甲基硅氧烷辅助转移方法能够在硅波导顶部清洁完整地转移 Bi 2 O 2 Se。我们展示了 Bi 2 O 2Se/Si 波导集成光电探测器，具有 72.9 nA 的小暗电流、3.5 A·W –1 的高响应度、22/78 ns 的快速上升/衰减时间和 15.1 pW·Hz –0.5 at 的低噪声等效功率对于横向电模式，在 O 带中施加 2 V 的施加电压。此外，微环谐振器设计用于增强光与物质的相互作用，从而产生暗电流降低（2 V 时为 15.3 nA）和谐振波长响应率提高 3 倍以上的波长敏感光电探测器，这适用于用于光谱分辨应用。这些结果促进了 Bi 2 O 2的整合Se 具有硅光子平台，有望加速集成光电探测器在光谱学、传感和通信应用中的未来使用。
更新日期：2021-10-26
中文翻译：
用于硅光子集成电路的高性能波导集成 Bi2O2Se 光电探测器
由于优异的电学和光学特性及其集成能力，无需晶格匹配，低维材料在硅光子电路中受到越来越多的关注。Bi 2 O 2 Se 具有高载流子迁移率、窄带隙和良好的空气稳定性，在高性能近红外光电探测器方面非常有前景。在这里，应用化学气相沉积方法在云母上生长 Bi 2 O 2 Se，我们开发的聚碳酸酯/聚二甲基硅氧烷辅助转移方法能够在硅波导顶部清洁完整地转移 Bi 2 O 2 Se。我们展示了 Bi 2 O 2Se/Si 波导集成光电探测器，具有 72.9 nA 的小暗电流、3.5 A·W –1 的高响应度、22/78 ns 的快速上升/衰减时间和 15.1 pW·Hz –0.5 at 的低噪声等效功率对于横向电模式，在 O 带中施加 2 V 的施加电压。此外，微环谐振器设计用于增强光与物质的相互作用，从而产生暗电流降低（2 V 时为 15.3 nA）和谐振波长响应率提高 3 倍以上的波长敏感光电探测器，这适用于用于光谱分辨应用。这些结果促进了 Bi 2 O 2的整合Se 具有硅光子平台，有望加速集成光电探测器在光谱学、传感和通信应用中的未来使用。
京公网安备 11010802027423号