Defekter muliggør RoHS-kompatibel, højtydende infrarøde fotodetektorer

En undersøgelse ledet af ICFO-forskere rapporterer om en meget følsom CMOS-kompatibel bredbåndsfotodetektor ved at skræddersy materialefejl.

Der er et presserende behov i forbrugerelektronik for infrarød optoelektronik, herunder lysemitterende dioder og fotodetektorer. Til dato, imidlertid, infrarød optoelektronik betjenes af kostbare CMOS-inkompatible III-V-halvledere. For nylig, en ny klasse af halvledere baseret på kolloide kvanteprikker, der adresserer CMOS-kompatibilitetsproblemet, er dukket op. Når det kommer til forbrugerelektronik, brug af RoHS-kompatible materialer er en forudsætning, og derfor, der er et stort behov for udvikling af højtydende enheder baseret på miljøvenlige elementer, noget, der er forblevet uhåndgribeligt.

For at løse denne udfordring, ICFO-forskere har opdaget, at man ved at kontrollere defekter i materialer kan udvide halvlederens spektrale rækkevidde ud over dens båndgab, derved udvides materialetilgængeligheden for den infrarøde del af spektret.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Avancerede optiske materialer , ICFO-forskere Dr. Nengjie Huo, Dr. Alberto Figueroba, Dr. Y. Yang, Dr. Sotirios Christodoulou, Dr. Alexandros Stavrinadis, ledet af ICREA-professor ved ICFO Gerasimos Konstantatos, i samarbejde med prof. C. Magén fra Univ. af Zaragoza, har rapporteret om udviklingen af ​​en infrarød detektor, der anvender bismuthsulfid, som har hurtige høje fotoresponsniveauer i det kortbølgede infrarøde område takket være dannelsen af ​​defekter i materialet.

I deres eksperiment, forskerne fremstillede en fotoledende detektor, aflejring af et meget tyndt lag Bi ₂ S ₃ flager på en Si/SiO ₂ substrat. Når først bygget, holdet var i stand til at observere, at Bi ₂ S ₃ flager havde svovltomrum eller defekter i materialet (svovlmangel), som skabte udvidede in-gab-tilstande, tillader en øget absorption af lys under båndgab-værdien for Bi ₂ S ₃ , det er sub-bandgap. Sådanne funktioner førte til en høj gevinst, fotodetektor med lav støj og høj følsomhed.

For at forstå svovlmangelmekanismen, de byggede en anden fotodetektor og syntetiserede Bi ₂ S ₃ krystal, ved at udføre en svovlningsproces (ændre koncentrationsprocenterne af Bi og S i krystallen) og efterfølgende genfylde svovlvaccinerne. De observerede, at fotodetektoren havde en meget hurtigere responstid, men var begrænset til spektralområdet i det nære infrarøde.

Dermed, at forbedre responstiden uden at ofre dens spektrale dækning i det infrarøde, de udførte en mild kemisk behandling på den svovlmangel-baserede detektor gennem en overfladepassiveringsproces af krystallen. afslutte behandlingen, de observerede, at tidsresponsen havde nået en værdi på ca. 10ms for det infrarøde og synlige lysområde, 50 gange hurtigere end den originale svovlmangel-baserede detektor.

Resultaterne af denne undersøgelse giver ny indsigt i den rolle, atomare ledige stillinger spiller i den elektroniske struktur, og hvordan sub-bandgap fotoresponseffekter kan aktivere ultrasensitive, hurtig, og bredbåndsfotodetektorer.