InAs nanowires have been considered as good candidates for infrared photodetection. However, one-dimensional geometry of a nanowire makes it unsuitable for broadband light absorption. In this work, we propose and design InAs nanosheet arrays to achieve polarization-independent, angle-insensitive, and ultrawide infrared absorption. Simulations demonstrate that two-dimensional InAs nanosheets can support multiple resonance modes, thus leading to a strong and broadband absorption from visible light to mid-wave infrared. Moreover, we can tune polarization-dependent property in InAs nanosheets to be polarization-insensitive by forming a nanosheet based clover-like and snowflake-like nanostructures. We further optimized the design of InAs nanosheet arrays based on such structures and achieved high absorption (up to 99.6%) covering a broad wavelength range from 500 to 3200 nm. These absorption properties are much superior to their nanowire and planar film counterparts, making it attractive for infrared photodetection applications. The architecture of such nanostructures can provide a promising route for the development of high-performance room-temperature broadband infrared photodetectors.

1.
R.
Bhargava
,
Appl. Spectrosc.
66
,
1091
(
2012
).
2.
J.
Duan
,
Q.
Fu
,
C.
Mo
,
Y.
Zhu
, and
D.
Liu
,
Imaging Sens. App.
8908
,
13
(
2013
).
3.
A.
Safaei
,
S.
Modak
,
J.
Lee
,
S.
Chandra
,
D.
Franklin
,
A.
Vazquez-Guardado
, and
D.
Chanda
,
Opt. Express
26
,
32931
(
2018
).
4.
Y.
Cuminal
,
J. B.
Rodriguez
, and
P.
Christol
,
Finite Elem. Anal. Des.
44
,
611
(
2008
).
5.
H. W.
Shin
,
S. J.
Lee
,
D. G.
Kim
,
M. H.
Bae
,
J.
Heo
,
K. J.
Choi
,
W. J.
Choi
,
J. W.
Choe
, and
J. C.
Shin
,
Sci. Rep.
5
,
10764
(
2015
).
6.
S.
Upadhyay
,
T. S.
Jespersen
,
M. H.
Madsen
,
P.
Krogstrup
, and
J.
Nygård
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
162104
(
2013
).
7.
Z.
Zhang
,
P. P.
Chen
,
W.
Lu
, and
J.
Zou
,
Nanoscale
8
,
1401
(
2016
).
8.
A.
Rogalski
,
P.
Martyniuk
, and
M.
Kopytko
,
Appl. Phys. Rev.
4
,
031304
(
2017
).
9.
E. H.
Steenbergen
,
B. C.
Connelly
,
G. D.
Metcalfe
,
H.
Shen
,
M.
Wraback
,
D.
Lubyshev
,
Y.
Qiu
,
J. M.
Fastenau
,
A. W. K.
Liu
,
S.
Elhamri
,
O. O.
Cellek
, and
Y. H.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
251110
(
2011
).
10.
D.
Wu
,
A.
Dehzangi
,
J.
Li
, and
M.
Razeghi
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
161108
(
2020
).
11.
D. Z.
Ting
,
S. B.
Rafol
,
A.
Khoshakhlagh
,
A.
Soibel
,
S. A.
Keo
,
A. M.
Fisher
,
B. J.
Pepper
,
C. J.
Hill
, and
S. D.
Gunapala
,
Micromachines
11
,
958
(
2020
).
12.
S.
Hertenberger
,
D.
Rudolph
,
M.
Bichler
,
J. J.
Finley
,
G.
Abstreiter
, and
G.
Koblmüller
,
J. Appl. Phys.
108
,
114316
(
2010
).
13.
H.
Kim
,
A. C.
Farrell
,
P.
Senanayake
,
W. J.
Lee
, and
D. L.
Huffaker
,
Nano Lett.
16
,
1833
(
2016
).
14.
B.
Mandl
,
A. W.
Dey
,
J.
Stangl
,
M.
Cantoro
,
L. E.
Wernersson
,
G.
Bauer
,
L.
Samuelson
,
K.
Deppert
, and
C.
Thelander
,
J. Cryst. Growth
334
,
51
(
2011
).
15.
J.
Svensson
,
A. W.
Dey
,
D.
Jacobsson
, and
L. E.
Wernersson
,
Nano Lett.
15
,
7898
(
2015
).
16.
J.
Treu
,
M.
Bormann
,
H.
Schmeiduch
,
M.
Doblinger
,
S.
Morkotter
,
S.
Matich
,
P.
Wiecha
,
K.
Saller
,
B.
Mayer
,
M.
Bichler
,
M. C.
Amann
,
J. J.
Finley
,
G.
Abstreiter
, and
G.
Koblmuller
,
Nano Lett.
13
,
6070
(
2013
).
17.
D.
Anandan
,
R. K.
Kakkerla
,
H. W.
Yu
,
H. L.
Ko
,
V.
Nagarajan
,
S. K.
Singh
,
C. T.
Lee
, and
E. Y.
Chang
,
J. Cryst. Growth
506
,
45
(
2019
).
18.
K.
Dropiewski
,
V.
Tokranov
,
M.
Yakimov
,
S.
Oktyabrsky
,
S.
Bentley
, and
R.
Galatage
,
Vac. Sci. Technol. B
35
,
02B115
(
2017
).
19.
R. K.
Kakkerla
,
D.
Anandan
,
C.-J.
Hsiao
,
H. W.
Yu
,
S. K.
Singh
, and
E. Y.
Chang
,
J. Cryst. Growth
490
,
19
(
2018
).
20.
X.
Zhang
,
H.
Huang
,
X.
Yao
,
Z.
Li
,
C.
Zhou
,
X.
Zhang
,
P.
Chen
,
L.
Fu
,
X.
Zhou
,
J.
Wang
,
W.
Hu
,
W.
Lu
,
J.
Zou
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
ACS Nano
13
(
3
),
3492
(
2019
).
21.
X.
Zhang
,
Z.
Li
,
X.
Yao
,
H.
Huang
,
D.
Wei
,
C.
Zhou
,
Z.
Tang
,
X.
Yuan
,
P.
Chen
,
W.
Hu
,
J.
Zou
,
W.
Lu
, and
L.
Fu
,
ACS Appl. Energy Mater.
1
(
9
),
1825
(
2019
).
22.
X.
Zhang
,
X.
Yao
,
Z.
Li
,
C.
Zhou
,
X.
Yuan
,
Z.
Tang
,
W.
Hu
,
X.
Gan
,
J.
Zou
,
P.
Chen
, and
W.
Lu
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
(
15
),
6413
(
2020
).
23.
J.
Miao
,
W.
Hu
,
N.
Guo
,
Z.
Lu
,
X.
Liu
,
L.
Liao
,
P.
Chen
,
T.
Jiang
,
S.
Wu
,
J. C.
Ho
,
L.
Wang
,
X.
Chen
, and
W.
Lu
,
Small
11
(
8
),
936
(
2015
).
24.
T.
Xu
,
H.
Wang
,
X.
Chen
,
M.
Luo
,
L.
Zhang
,
Y.
Wang
,
F.
Chen
,
C.
Shan
, and
C.
Yu
,
Nanotechnology
31
(
29
),
294004
(
2020
).
25.
N.
Huang
,
C.
Lin
, and
M. L.
Povinelli
,
J. Opt.
14
(
2
),
024004
(
2012
).
26.
R. R.
LaPierre
,
M.
Robson
,
K. M.
Azizur-Rahman
, and
P.
Kuyanov
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
(
12
),
123001
(
2017
).
27.
Y.
Yang
,
X.
Peng
,
S.
Hyatt
, and
D.
Yu
,
Nano Lett.
15
(
5
),
3541
(
2015
).
28.
D.
Ren
,
X.
Meng
,
Z.
Rong
,
M.
Cao
,
A. C.
Farrell
,
S.
Somasundaram
,
K. M.
Azizur-Rahman
,
B. S.
Williams
, and
D. L.
Huffaker
,
Nano Lett.
18
(
12
),
7901
(
2018
).
29.
E. A.
Anyebe
,
I.
Sandall
,
Z. M.
Jin
,
A. M.
Sanchez
,
M. K.
Rajpalke
,
T. D.
Veal
,
Y. C.
Cao
,
H. D.
Li
,
R.
Harvey
, and
Q. D.
Zhuang
,
Sci. Rep.
7
,
46110
(
2017
).
30.
Z.
Li
,
H. H.
Tan
,
C.
Jagadish
, and
L.
Fu
,
Adv. Mater. Technol.
3
(
9
),
1800005
(
2018
).
31.
S.
Kotal
,
A.
Artioli
,
Y.
Wang
,
A. D.
Osterkryger
,
M.
Finazzer
,
R.
Fons
,
Y.
Genuist
,
J.
Bleuse
,
J.-M.
Gérard
,
N.
Gregersen
, and
J.
Claudon
,
Appl. Phys. Lett.
118
(
19
),
194002
(
2021
).
32.
W. J.
Lee
,
P.
Senanayake
,
A. C.
Farrell
,
A.
Lin
,
C. H.
Hung
, and
D. L.
Huffaker
,
Nano Lett.
16
(
1
),
199
(
2016
).
33.
P.
Martyniuk
,
J.
Antoszewski
,
M.
Martyniuk
,
L.
Faraone
, and
A.
Rogalski
,
Appl. Phys. Rev.
1
,
041102
(
2014
).
34.
C. L.
Tan
and
H.
Mohseni
,
Nanophotonics
7
(
1
),
169
(
2018
).
35.
N.
Wang
,
X.
Yuan
,
X.
Zhang
,
Q.
Gao
,
B.
Zhao
,
L.
Li
,
M.
Lockrey
,
H. H.
Tan
,
C.
Jagadish
, and
P.
Caroff
,
ACS Nano
13
(
6
),
7261
(
2019
).
36.
T.-W.
Yeh
,
Y.-T.
Lin
,
B.
Ahn
,
L. S.
Stewart
,
P. D.
Dapkus
, and
S. R.
Nutt
,
Appl. Phys. Lett.
100
(
3
),
033119
(
2012
).
37.
C. Y.
Chi
,
C. C.
Chang
,
S.
Hu
,
T. W.
Yeh
,
S. B.
Cronin
, and
P. D.
Dapkus
,
Nano Lett.
13
(
6
),
2506
(
2013
).
38.
X.
Yuan
,
D.
Pan
,
Y.
Zhou
,
X.
Zhang
,
K.
Peng
,
B.
Zhao
,
M.
Deng
,
J.
He
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Appl. Phys. Rev.
8
(
2
),
021302
(
2021
).
39.
X.
Wang
,
D.
Pan
,
M.
Sun
,
F.
Lyu
,
J.
Zhao
, and
Q.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
26187
(
2021
).
40.
J.
Liu
,
W.
Chen
,
J. C.
Zheng
,
Y. S.
Chen
, and
C. F.
Yang
,
Nanomaterials
10
(
1
),
27
(
2019
).
41.
N. I.
Landy
,
C. M.
Bingham
,
T.
Tyler
,
N.
Jokerst
,
D. R.
Smith
, and
W. J.
Padilla
,
Phys. Rev. B
79
(
12
),
125104
(
2009
).
42.
S. K.
Ghosh
,
V. S.
Yadav
,
S.
Das
, and
S.
Bhattacharyya
,
IEEE Trans. Electromagn. Compat.
62
,
346
(
2020
).
43.
See
cn.comsol.com for “
COMSOL Multiphysics® v. 5.4
(COMSOL AB,
Stockholm,
2020
).
44.
S.
Mokkapati
,
D.
Saxena
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Sci. Rep.
5
,
15339
(
2015
).
45.
L.
Lymperakis
and
J.
Neugebauer
,
Phys. Rev. B
79
(
24
),
241308(R)
(
2009
).
46.
K.
Seo
,
M.
Wober
,
P.
Steinvurzel
,
E.
Schonbrun
,
Y.
Dan
,
T.
Ellenbogen
, and
K. B.
Crozier
,
Nano Lett.
11
(
4
),
1851
(
2011
).
47.
48.
F.
Fan
,
Z.
Liu
,
L.
Yin
,
P. L.
Nichols
,
H.
Ning
,
S.
Turkdogan
, and
C. Z.
Ning
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
065005
(
2013
).
49.
B. S.
Guru
and
H. R.
Hiziroglu
,
Electromagnetic Field Theory
(
Cambridge University Press
,
2009
).
50.
D.
Pan
,
M.
Fu
,
X.
Yu
,
X.
Wang
,
L.
Zhu
,
S.
Nie
,
S.
Wang
,
Q.
Chen
,
P.
Xiong
,
S.
von Molnar
, and
J.
Zhao
,
Nano Lett.
14
(
3
),
1214
(
2014
).
51.
X.
Nie
,
H.
Zhen
,
G.
Huang
,
Y.
Yin
,
S.
Li
,
P.
Chen
,
X.
Zhou
,
Y.
Mei
, and
W.
Lu
,
Appl. Phys. Lett.
116
(
16
),
161107
(
2020
).
52.
K.
Zhao
,
Z.
Wei
, and
X.
Wei Jiang
,
China Phys. Mech.
63
,
237331
(
2020
).
53.
J.
Winnerl
,
M.
Kraut
,
S.
Artmeier
, and
M.
Stutzmann
,
Nanoscale
11
(
10
),
4578
(
2019
).
54.
P.
Aseev
,
A.
Fursina
,
F.
Boekhout
,
F.
Krizek
,
J. E.
Sestoft
,
F.
Borsoi
,
S.
Heedt
,
G.
Wang
,
L.
Binci
,
S.
Marti-Sanchez
,
T.
Swoboda
,
R.
Koops
,
E.
Uccelli
,
J.
Arbiol
,
P.
Krogstrup
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
P.
Caroff
,
Nano Lett.
19
(
1
),
218
(
2019
).
55.
M.
Friedl
,
K.
Cerveny
,
P.
Weigele
,
G.
Tutuncuoglu
,
S.
Marti-Sanchez
,
C.
Huang
,
T.
Patlatiuk
,
H.
Potts
,
Z.
Sun
,
M. O.
Hill
,
L.
Guniat
,
W.
Kim
,
M.
Zamani
,
V. G.
Dubrovskii
,
J.
Arbiol
,
L. J.
Lauhon
,
D. M.
Zumbuhl
,
I.
Morral
, and
A.
Fontcuberta
,
Nano Lett.
18
(
4
),
2666
(
2018
).
56.
P.
Staudinger
,
K. E.
Moselund
, and
H.
Schmid
,
Nano Lett.
20
(
1
),
686
(
2020
).
57.
J. A.
Alexander-Webber
,
C. K.
Groschner
,
A. A.
Sagade
,
G.
Tainter
,
M. F.
Gonzalez-Zalba
,
R.
Di Pietro
,
J.
Wong-Leung
,
H. H.
Tan
,
C.
Jagadish
,
S.
Hofmann
, and
H. J.
Joyce
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
(
50
),
43993
(
2017
).
58.
Z.
Li
,
S.
Trendafilov
,
F.
Zhang
,
M. S.
Allen
,
J. W.
Allen
,
S. U.
Dev
,
W.
Pan
,
Y.
Yu
,
Q.
Gao
,
X.
Yuan
,
I.
Yang
,
Y.
Zhu
,
A.
Bhat
,
S. X.
Peng
,
W.
Lei
,
H. H.
Tan
,
C.
Jagadish
, and
L.
Fu
,
Nano Lett.
21
(
17
),
7388
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.