Een studie onder leiding van ICFO-onderzoekers rapporteert over een zeer gevoelige CMOS-compatibele breedbandfotodetector door materiaaldefecten op maat te maken.

In de consumentenelektronica bestaat een dringende behoefte aan infrarood opto-elektronica, inclusief lichtemitterende diodes en fotodetectoren. Daten, echter, infrarood opto-elektronica wordt bediend door dure CMOS-incompatibele III-V-halfgeleiders. Onlangs, een nieuwe klasse van halfgeleiders op basis van colloïdale kwantumstippen die het CMOS-compatibiliteitsprobleem aanpakt, is ontstaan. Als het om consumentenelektronica gaat, het gebruik van RoHS-conforme materialen is een vereiste, en daarom, er is een sterke behoefte aan de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten op basis van milieuvriendelijke elementen, iets dat ongrijpbaar is gebleven.

Om deze uitdaging aan te gaan, ICFO-onderzoekers hebben ontdekt dat door het beheersen van defecten in materialen het spectrale bereik van de halfgeleider kan worden uitgebreid tot voorbij de bandgap, waardoor de materiaalbeschikbaarheid voor het infrarode deel van het spectrum wordt vergroot.

In een recente studie gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen , ICFO-onderzoekers Dr. Nengjie Huo, Dr. Alberto Figueroba, Dr. Y. Yang, Dr. Sotirios Christodoulou, Dr. Alexandros Stavrinadis, onder leiding van ICREA Prof bij ICFO Gerasimos Konstantatos, in samenwerking met Prof. C. Magén van Univ. van Zaragoza, hebben gerapporteerd over de ontwikkeling van een infrarooddetector die bismutsulfide gebruikt, die dankzij de vorming van defecten in het materiaal snelle hoge fotoresponsniveaus heeft in het kortegolf-infraroodbereik.

In hun experiment hebben de onderzoekers fabriceerden een fotogeleidende detector, het afzetten van een zeer dunne laag Bi ₂ S ₃ vlokken op een Si/SiO ₂ substraat. Eenmaal gebouwd, kon het team waarnemen dat de Bi ₂ S ₃ vlokken bezaten zwavelvacatures of defecten in het materiaal (zwavelarm), waardoor uitgebreide in-gap staten ontstonden, waardoor een verhoogde absorptie van licht onder de bandgap-waarde van Bi . mogelijk is ₂ S ₃ , dat is subbandgap. Dergelijke functies leidden tot een hoge winst, geluidsarme en zeer gevoelige fotodetector.

Om het zwavelgebreksmechanisme te begrijpen, ze bouwden een tweede fotodetector en synthetiseerden de Bi ₂ S ₃ kristal, door een zwavelingsproces uit te voeren (de concentratiepercentages van Bi en S in het kristal veranderen) en vervolgens de zwavelvacatures opnieuw op te vullen. Ze merkten op dat de fotodetector een veel snellere responstijd had, maar was beperkt tot het spectrale bereik in het nabij-infrarood.

Dus, om de responstijd te verbeteren zonder de spectrale dekking in het infrarood op te offeren, ze voerden een milde chemische behandeling uit op de op zwavelarme gebaseerde detector door middel van een oppervlaktepassiveringsproces van het kristal. De behandeling afronden, ze merkten op dat de tijdrespons een waarde van ongeveer 10 ms had bereikt voor het bereik van infrarood en zichtbaar licht, 50 keer sneller dan de originele op zwavel gebaseerde detector.

De resultaten van deze studie bieden nieuwe inzichten in de rol die atomaire vacatures spelen in de elektronische structuur en hoe sub-bandgap fotoresponseffecten ultragevoelige, snel, en breedband fotodetectoren.