_ InSb/InP ecologic puncte cuantice coloidale pentru fotodetectoare cu infraroșu rapid și sensibile cu undă scurtă

Aplicații precum LIDAR, imagistica 3D pentru dispozitive mobile, realitatea auto și augmentată/virtuală sau viziunea de noapte pentru supraveghere, se bazează pe dezvoltarea undelor scurte. fotodetectoare în infraroșu (SWIR). Aceste dispozitive sunt capabile să vadă în regiunea spectrului care este invizibilă pentru ochiul nostru, deoarece operează în fereastra spectrală de 1-2 µm.

Industria senzorilor de lumină SWIR a fost dominată de ani de zile de epitaxiale tehnologie, bazată în principal pe dispozitive fabricate din arseniură de indiu galiu (InGaAs). Cu toate acestea, mai mulți factori, cum ar fi costurile ridicate de producție, fabricabilitatea la scară redusă și incompatibilitatea cu CMOS au limitat tehnologia epitaxială la piețele de nișă și militare.

În contrast, potențialul fotodetectorilor SWIR din puncte cuantice coloidale ( CQD-urile), materialele semiconductoare la scară nanometrică, au atras un interes semnificativ în ultimii ani datorită caracteristicilor lor atractive, cum ar fi costul scăzut și compatibilitatea cu arhitectura CMOS, printre altele.

În timp ce CQD-urile apar ca o tehnologie concurență pentru InGaAs. dispozitive bazate pe dispozitive, este important să se clarifice faptul că fotodetectoarele actuale bazate pe CQD-uri SWIR utilizează componente precum calcogenurile de plumb (Pb) și mercur (Hg). Ambele elemente sunt supuse directivei europene de restricție a substanțelor periculoase (RoHS), care reglementează utilizarea lor în aplicații comerciale pentru consumatori.

Ca urmare a acestui cadru de reglementare, există un îndemn presant pentru dezvoltare. de senzori de lumină SWIR bazați pe CQD-uri ecologice, fără metale grele.

CQD-urile cu antimoniură de indiu (InSb) au un potențial mare de a furniza dispozitive de înaltă performanță și stabilitate. În plus, sunt compatibile cu RoHS și au acces la întreaga gamă SWIR datorită intervalului de bandă redus al InSb în vrac. Cu toate acestea, sinteza sa s-a dovedit a fi dificilă până acum datorită naturii cele mai puternic covalente a InSb și a lipsei precursorilor extrem de reactivi. Mai mult decât atât, studiile anterioare au raportat că CQD-urile InSb sunt instabile la expunerea la aer datorită tendinței puternice a Sb de a se oxida.

Într-un studiu publicat în ACS Nano, cercetătorii de la ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, condus de prof. ICREA la ICFO, Gerasimos Konstantatos, în colaborare cu Pengfei Cao, de la Centrul Erns Ruska pentru Microscopie și Spectroscopie cu Electroni, descriu o nouă metodă de sinteză a CQD-urilor InSb fără arsenic cu acces la gama SWIR.

Abordarea lor include proiectarea unei structuri de bază InSb/InP a punctelor cuantice sintetizate care sunt utilizate pentru a fabrica un fotodetector SWIR cu răspuns rapid și foarte sensibil.

În În noul studiu, cercetătorii au dezvoltat un nou proces sintetic pentru a produce puncte cuantice InSb cu spectru larg reglabil de înaltă calitate, cu uniformitate de dimensiune, utilizând precursori chimici disponibili comercial, depășind unele dintre obstacolele pe care le-au suferit strategiile anterioare, inclusiv un proces de sinteză dificil și densitate mare a defectelor de suprafață.

În studiul lor, cercetătorii au adoptat „abordarea cu o singură sursă”, folosind un proces continuu de injectare a precursorului, în locul unei opțiuni de injecție la cald. Această strategie a fost cheia pentru obținerea InSb CQD cu o distribuție a dimensiunilor bine controlată și o absorbție distinctă pe o gamă foarte largă de spectru (900 nm până la 1.750 nm).

Prin utilizarea unui interval de temperaturi de reacție care se întinde de la 220 °C până la 250 °C, au reușit să controleze pozițiile punctelor în filmul subțire procesat cu soluție rezultat. „Reglabilitatea spectrală rezultată de la infraroșu apropiat la infraroșu cu unde scurte, adică de la 900 nm la 1.750 nm, este cea mai mare raportată până în prezent pentru InSb CQD”, spun cercetătorii.

Ei au observat probele CQD procesate cu tehnica de microscopie electronică cu transmisie (TEM) și au confirmat că punctele aveau o dimensiune medie de 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm și 7,0 nm care au permis absorbția lungimi de undă diferite.

Cercetătorii au caracterizat, de asemenea, suprafața CQD-urilor InSb, deoarece se știe că este crucială pentru proprietățile optoelectronice ale materialului CQD. Ei au folosit spectroscopia fotoelectronului cu raze X pentru a investiga stările de oxidare ale Sb care sunt asociate cu legăturile suspendate Sb nepasivate ale suprafeței și au putut confirma formarea de Sb-oxid pe suprafața neprotejată.

Următorul pas în investigația lor a fost de a dezvolta o strategie de pasivare pentru a acoperi CQD-urile InSb obținute, creând o înveliș pentru a proteja QCD-urile de oxidare. Suprafața QCD-urilor InSb a fost tratată cu triclorura de indiu (InCl3). Acest lucru a protejat legăturile suspendate de suprafață ale Sb prin reducerea defectelor și îmbunătățirea, în același timp, stabilitatea coloidală a CQD-urilor în următoarele etape ale procesului de purificare.

Ulterior, cercetătorii au cultivat o fosfură de indiu (InP). ) înveliș de protecție cu grosime subțire peste CQD InSb purificat. Ei au folosit oleat de indiu și fosfinsililamidă ca precursori pentru a genera coaja. Acest lucru a provocat o schimbare semnificativă la roșu pe spectrul de absorbție al CQD-urilor InSb. Structura miez-înveliș InSb/InP a fost confirmată mai târziu de analiza spectrului de fotoluminiscență.

„Structura miez-înveliș InSb/InP înseamnă creșterea unui alt material (în acest caz, InP) pe suprafața materialului curat. (în acest caz, InSb). În comparație cu InSb, InP este un material cu bandgap mai larg care poate pasiva suficient capcanele de suprafață ale InSb care sunt dăunătoare dispozitivelor optoelectronice. De asemenea, elementul Sb este destul de sensibil la oxigen, deci miezul- Structura carcasei poate îmbunătăți în mare măsură stabilitatea aerului materialului”, explică Lucheng Peng, cercetător ICFO și primul autor al studiului.

Fabricarea fotodetectorilor mai rapid și mai sensibili

Odată cu acest prim pas a fost realizat, cercetătorii au trecut la utilizarea CQD-urilor optimizate InSb/InP pentru a fabrica un fotodetector SWIR de mare viteză și temperatură joasă. Dispozitivul senzor de lumină a fost format din mai multe straturi stivuite: o bază de oxid de indiu staniu (ITO), un strat de transfer de electroni (ETL) realizat din dioxid de titan (TiO2), stratul subțire care conține CQD-uri InSb/InP și un strat superior final. realizate din aur.

Au dorit să obțină un fotodetector cu un răspuns rapid în timp pentru a fi utilizat în aplicații care depășesc ratele de cadre video, așa că au folosit TiO2 ca ETL datorită stabilității fotochimice a acestuia.

A fost apoi măsurat răspunsul senzorului de lumină fabricat. După cum scriau autorii, fotodetectorul „demonstrează caracteristici remarcabile, inclusiv o gamă dinamică liniară largă care depășește 128 dB, o eficiență cuantică externă maximă (EQE) de 25% la 1.240 nm (și 12% la 1.420 nm), un timp de răspuns foto rapid de 70 ns. , și o detectivitate specifică de până la 4,4 × 1011 Jones.”

După cum au putut verifica cercetătorii, dispozitivul s-a dovedit a fi foarte rezistent la condițiile atmosferice, fără nicio încapsulare. După două luni de expunere la mediul ambiant, fotodetectorul și-a menținut proprietățile. După 90 de ore, stabilitatea dispozitivului a fost verificată și atunci când funcționa în aer liber și s-a constatat că este extrem de stabil.

„Acesta este cel mai bun fotodetector CQD SWIR, procesat prin soluție, bazat pe InSb. până acum, luând în considerare atât performanța, cât și stabilitatea, cu cifre de merit care pot permite senzori de lumină cu rată de cadre ridicată pentru viziunea artificială, imagistica cu poartă și aplicații de detectare 3D”, spune prof. ICREA la ICFO Gerasimos Konstantatos.

„Prezentul studiu nu numai că arată potențialul enorm al InSb CQD ca material activ fără metale grele pentru a fi utilizat în fotodetectoarele SWIR, dar deschide și ușa pentru dezvoltarea viitoare în InSb coloidal care utilizează substanțe chimice umede. metode de fabricare a dispozitivelor electronice sau optoelectronice de înaltă performanță”, conchide Konstantatos.

Echipa lucrează acum la cum să reducă în continuare curentul de întuneric și să crească eficiența cuantică a fotosenzorilor bazați pe CQD. Pentru a face acest lucru, ei trebuie să se concentreze în principal pe îmbunătățirea mobilității purtătorului în peliculele subțiri care conțin CQD.

Atingerea acestui lucru le va permite să obțină o viteză de răspuns mai rapidă pentru senzorul de lumină, având ca scop: depășește viteza de răspuns de 10 ns, astfel încât tehnologia să poată fi utilizată în i-ToF (indirect-time-of-flight), care este util în LIDAR și imagistica 3D.

(Fluierul)