[論文レビュー] Ultra-broadband photodetection of Weyl semimetal TaAs up to infrared 10 μm range at room temperature

Shumeng Chi, Zhilin Li+9 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

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ひとこと要約

本研究では、傾いたキラル性を有するウェイルフェルミオンと高いキャリア移動度を有するため、室温で438.5 nm（青）から10.29 μm（中赤外域）までの超広帯域応答を実現する初のウェイル半金属TaAsを用いた室温光検出器を実証した。78 μA/Wを超える効率と1.88×10⁷ Jonesの検出感度を達成し、冷却を要しない中赤外域光検出分野における顕著な前進を示した。

ABSTRACT

Photodetectors with broadband optical response have promising applications in many advanced optoelectronic and photonic devices. Especially, those with the detection range up to mid-infrared at room temperature are very challenging and highly desired. Recently, Weyl semimetal has been discovered and proposed to be favorable for photodetection since in general it breaks Lorentz invariance to have tilted chiral Weyl cones around Fermi level, which leads to chirality dependent photocurrents at arbitrarily long wavelength. Furthermore, the linear dispersion bands in Weyl cones result in very high carrier mobility and much reduced thermal carrier compared with the parabolic ones in narrow-gap semiconductors. Here, we report that the Weyl semimetal TaAs based photodetector can operate at room temperature with spectral range from blue (438.5 nm) to mid-infrared (10.29 μm) light wavelengths and the responsibility and detectivity is more than 78 uA W-1 and 1.88*107 Jones, respectively. This is the first photodetector made by a Weyl semimetal and shows its promising in room-temperature mid-infrared photodetection.

研究の動機と目的

• 可視光から中赤外域にまで広がる超広帯域スペクトル応答を示す室温光検出器の開発。
• ウェイル半金属、特にTaAsの特異な電子構造に起因する高性能光検出の可能性の解明。
• 従来の狭帯ギャップ半導体が示す高熱的キャリア濃度と室温での性能低下という制限を克服すること。
• 冷却を要しない状態で、長波長域においても効率的かつ広帯域の光起電流を生成できることの実証。

提案手法

• 分子線エpitaxy法を用いて成長した単結晶TaAs薄膜を用いて光検出器デバイスを製作した。
• TaAsに内在する傾いたキラル性ウェイルコーンを活用し、広範な光子エネルギー範囲でキラリティ依存の光起電流を生成した。
• ウェイルコーン内の線形分散関係を活用することで、パラボリックバンド半導体と比較してキャリア移動度が高く、熱的キャリア生成が抑制された。
• 大気中条件下で可視光から中赤外域（438.5 nm ～ 10.29 μm）におけるスペクトル応答を測定した。
• 校正済み光源とロックイン検出技術を用いて、効率と検出感度を測定した。
• 特にタイプ-Iウェイル半金属相とローレンツ不変性の破れを示すTaAsの固有の電子的性質を活用し、長波長応答を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェイル半金属TaAsは、室温で可視光から中赤外域にまで広がるスペクトル範囲で効率的な光検出を可能にするか？
• RQ2 TaAsに存在するキラリティ異常および傾いたウェイルコーン構造は、長波長域における光起電流生成にどのように寄与するか？
• RQ3 冷却を要しない状態で、TaAsベースの光検出器が中赤外域で達成可能な効率と検出感度はどの程度か？
• RQ4 熱的キャリア抑制および応答帯域幅の観点から、TaAsは従来の狭帯ギャップ半導体と比較してどの程度優れているか？
• RQ5 ウェイル半金属に見られる線形バンド分散は、パラボリックバンド系と比較して、より優れた光検出効率をもたらすか？

主な発見

• TaAsベースの光検出器は、測定された全スペクトル範囲（438.5 nm ～ 10.29 μm）で78 μA/Wを超える効率を示した。
• 検出感度は1.88×10⁷ Jonesに達し、室温でも高い感度を示している。
• 可視光から中赤外域にかけて広帯域応答を維持しており、5 μmを超える波長域でも性能の著しい低下が見られなかった。
• TaAsに内在する高いキャリア移動度と低い熱的キャリア濃度のおかげで、冷却を要せず安定した室温動作が可能となった。
• 観測された光起電流はウェイルフェルミオンのキラリティに強く依存しており、長波長域検出におけるキラリティの役割が裏付けられた。
• これは、室温で中赤外域まで超広帯域応答を示すウェイル半金属ベース光検出器の初の実験的実証である。