[论文解读] 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

2D Materials and Applications参考文献 33被引用 4

一句话总结

本研究展示了首个基于外尔半金属TaAs的室温光电探测器，由于其倾斜的手性外尔锥和高载流子迁移率，实现了从438.5 nm（蓝光）到10.29 μm（中红外）的超宽带响应。其响应度超过78 μA/W，探测度达1.88×10⁷ Jones，标志着在无需低温冷却条件下实现中红外光电探测的重大进展。

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.

研究动机与目标

• 开发一种室温工作的光电探测器，实现从可见光到中红外波段的超宽带谱响应。
• 探索外尔半金属（特别是TaAs）在高性能光电探测中的潜力，归因于其独特的电子结构。
• 克服传统窄带隙半导体的局限性，后者在室温下因热载流子浓度高而导致性能下降。
• 证明外尔半金属可在无需冷却的情况下实现长波长下的高效、宽带光电流生成。

提出的方法

• 利用分子束外延法生长的单晶TaAs薄膜制备光电探测器器件。
• 利用TaAs中倾斜的手性外尔锥，实现宽能量范围内的手性依赖性光电流。
• 利用外尔锥中的线性色散关系，实现高载流子迁移率，并相比抛物带半导体减少热载流子生成。
• 在环境条件下测量从可见光到中红外波段（438.5 nm至10.29 μm）的光谱响应。
• 使用校准光源和锁相检测技术测量响应度与探测度。
• 利用TaAs的本征电子特性——特别是其I型外尔半金属相和规范对称性破缺——实现长波长响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔半金属TaAs是否能在室温下支持从可见光到中红外全谱段的高效光电探测？
• RQ2 TaAs中手性异常与倾斜外尔锥结构如何影响长波长下的光电流生成？
• RQ3 在不使用低温冷却的条件下，基于TaAs的光电探测器在中红外波段可实现的响应度与探测度是多少？
• RQ4 与传统窄带隙半导体相比，TaAs在热载流子抑制与响应带宽方面性能如何？
• RQ5 外尔半金属中的线性能带色散是否可带来相比抛物带体系更优越的光电探测效率？

主要发现

• 基于TaAs的光电探测器在438.5 nm至10.29 μm的整个测量波段范围内，响应度均超过78 μA/W。
• 探测度达到1.88×10⁷ Jones，表明即使在室温下也具有高灵敏度。
• 该器件在可见光至中红外波段保持超宽带响应，且在5 μm以上的波长下性能无显著下降。
• TaAs中高载流子迁移率与低热载流子浓度使其可在室温下稳定工作而无需冷却。
• 观测到的光电流强烈依赖于外尔费米子的手性，证实了手性在长波长探测中的关键作用。
• 这是首次实验展示基于外尔半金属的光电探测器在室温下实现延伸至中红外波段的超宽带响应。