Eine auf einer MoS2/GaN-Van-der-Waals-Heterostruktur basierende Photodiode mit einheitlichem Ladungsträger für die Hochgeschwindigkeitsdetektion von sichtbarem Licht

Takuya Kadowaki, Takahiro Serikawa, Akihide Ichikawa, Yuji Ohmaki, Koji Usami, Yoichi Kawakami, Yoshihiro Iwasa und Hisashi Ogawa

Abstrakt

Photodioden mit eindimensionalen Ladungsträgern (UTC-PDs), die ausschließlich Elektronen als aktive Ladungsträger nutzen, sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hoher Sättigungsleistung und großer Bandbreite in der Hochgeschwindigkeits-Optoelektronik unverzichtbar geworden. Die Erweiterung des Betriebswellenlängenbereichs in den sichtbaren Bereich für ein breiteres Anwendungsspektrum stellt jedoch eine Herausforderung dar, da es an geeigneten Kombinationen von III-V-Halbleitern mit großer Bandlücke und der notwendigen Bandanpassung sowie Gitteranpassung mangeltctoWir zeigen hier, dass eine UTC-PD auf Basis eines Van-der-Waals-Heteroübergangs, bestehend aus einem zweidimensionalen Übergangsmetalldichalkogenid, Molybdändisulfidµm MoS₂₎, als Photoabsorptionsschicht und einem Galliumnitridfilmµm GaN) als Ladungsträgersammelschicht, eine Lösung für diese Herausforderung bietet. Der schnelle vertikale Ladungsträgertransport über die Heterogrenzfläche wird durch das direkte epitaktische Wachstum einer MoS₂-_Schicht auf einem GaN-Film ermöglicht. Unser Gerät weist einen Frequenzgang im Bereich von mehreren GHz mit einer Quanteneffizienzµm der Größenordnung von 1 % über das gesamte sichtbare Spektrum aufµmunterstreicht damit das Potenzial für schnelle sichtbare Optoelektronik.