[논문 리뷰] Ultra-broadband photodetection of Weyl semimetal TaAs up to infrared 10 μm range at room temperature

Shumeng Chi, Zhilin Li외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 15.

2D Materials and Applications참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Weyl 반도체인 TaAs를 기반으로 한 최초의 실온 광검출기임을 입증하며, 기울어진 캐리어 이중성 Weyl 원추와 높은 운반자 이동도 덕분에 438.5 nm(파란색)에서 10.29 μm(중적외선)에 이르는 초광대역 반응을 달성한다. 이는 78 μA/W 이상의 응답도 및 1.88×10⁷ 존스의 감도를 기록하여 냉각이 필요 없는 중적외선 광검출 분야에서의 중대한 진전을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 가시광선에서 중적외선 영역까지 연장된 초광대역 스펙트럼 반응을 갖는 광검출기를 개발하기 위해.
• 특히 TaAs와 같은 Weyl 반도체가 그 고유한 전자 구조 덕분에 고성능 광검출에 잠재력을 지닌다는 것을 탐색하기 위해.
• 낮은 금속 밴드 갭 반도체의 한계를 극복하기 위해, 실온에서 열 운반자 농도가 높고 성능이 저하되는 문제를 해결하기 위해.
• Weyl 반도체가 냉각 없이도 장파장에서 효율적인 광전류 생성을 가능하게 한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 분자 빔 에pitaxy를 통해 성장시킨 단결정 TaAs 박막을 이용해 광검출기 소자를 제작하였다.
• TaAs 내 기울어진 캐리어 이중성 Weyl 원추를 활용하여 광자 에너지의 넓은 범위에서 캐리어 이중성에 의존하는 광전류를 생성하였다.
• Weyl 원추의 선형 분산 관계를 이용해 파arabolic 밴드 반도체에 비해 높은 운반자 이동도와 낮은 열 운반자 생성을 달성하였다.
• 환경 조건에서 가시광선에서 중적외선까지의 스펙트럼 반응 측정을 수행하였다(438.5 nm ~ 10.29 μm).
• 교정된 빛 원천과 락인 검출 기술을 사용하여 응답도 및 감도를 측정하였다.
• TaAs의 내재된 전자적 특성—특히 타입-I Weyl 반도체 상태와 깨진 로렌츠 불변성—을 활용하여 장파장 반응을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Weyl 반도체인 TaAs는 실온에서 전체 가시광선에서 중적외선 스펙트럼까지 효율적인 광검출을 지원할 수 있는가?
• RQ2 TaAs 내 캐리어 이중성의 비대칭성과 기울어진 Weyl 원추 구조는 장파장에서 광전류 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 냉각 없이 TaAs 기반 광검출기의 중적외선 영역에서 달성 가능한 응답도와 감도는 얼마인가?
• RQ4 열 운반자 억제 및 반응 대역폭 측면에서 TaAs는 전통적인 낮은 금속 밴드 갭 반도체에 비해 성능가 어떻게 비교되는가?
• RQ5 Weyl 반도체의 선형 밴드 분산은 파라볼릭 밴드 시스템에 비해 우월한 광검출 효율을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• TaAs 기반 광검출기는 측정된 전체 스펙트럼 범위인 438.5 nm에서 10.29 μm까지 응답도가 78 μA/W를 초과한다.
• 감도는 1.88×10⁷ 존스에 도달하여 실온에서도 높은 감도를 나타낸다.
• 장치는 가시광선에서 중적외선까지 광대역 반응을 유지하며, 5 μm를 초과하는 파장에서도 성능 저하 없이 작동한다.
• TaAs의 높은 운반자 이동도와 낮은 열 운반자 농도 덕분에 냉각 없이도 안정된 실온 작동이 가능하다.
• 관측된 광전류는 Weyl 페르미온의 캐리어 이중성에 강하게 의존하며, 장파장 검출에서 캐리어 이중성의 역할을 확인한다.
• 이 연구는 실온에서 중적외선 영역까지 연장된 초광대역 반응을 보이는 Weyl 반도체 기반 광검출기의 최초의 실험적 증명이다.