izquierda:imagen STEM de cristal donde las bolas rojas y verdes representan átomos de bismuto y azufre. Derecha:ilustración esquemática del detector Bi2S3 en el sustrato Si / SiO2. Crédito:ICFO
Un estudio dirigido por investigadores del ICFO informa sobre un fotodetector de banda ancha compatible con CMOS altamente sensible mediante la adaptación de los defectos del material.
Existe una necesidad urgente en la electrónica de consumo de optoelectrónica infrarroja, incluidos los diodos emisores de luz y los fotodetectores. Hasta la fecha, sin embargo, La optoelectrónica de infrarrojos es servida por costosos semiconductores III-V incompatibles con CMOS. Recientemente, Ha surgido una nueva clase de semiconductores basados en puntos cuánticos coloidales que aborda el problema de compatibilidad CMOS. Cuando se trata de electrónica de consumo, el uso de materiales que cumplan con RoHS es un requisito previo, y por lo tanto, existe una gran necesidad de desarrollar dispositivos de alto rendimiento basados en elementos respetuosos con el medio ambiente, algo que ha permanecido esquivo.
Para abordar este desafío, Los investigadores del ICFO han descubierto que al controlar los defectos en los materiales se puede extender el alcance espectral del semiconductor más allá de su banda prohibida. expandiendo así la disponibilidad de material para la parte infrarroja del espectro.
En un estudio reciente publicado en Materiales ópticos avanzados , Investigadores del ICFO Dr. Nengjie Huo, Dr. Alberto Figueroba, Dr. Y. Yang, Dr. Sotirios Christodoulou, Dr. Alexandros Stavrinadis, dirigido por ICREA Prof en ICFO Gerasimos Konstantatos, en colaboración con el Prof. C. Magén de la Univ. de Zaragoza, han informado sobre el desarrollo de un detector de infrarrojos que utiliza sulfuro de bismuto, que tiene altos niveles de respuesta fotográfica rápidos en el rango de infrarrojos de onda corta gracias a la formación de defectos en el material.
En su experimento, los investigadores fabricaron un detector fotoconductor, depositando una capa muy fina de Bi 2 S 3 forma escamas sobre un Si / SiO 2 sustrato. Una vez construido, el equipo pudo observar que el Bi 2 S 3 las escamas tenían vacantes de azufre o defectos en el material (deficientes en azufre), que creó estados extendidos en brecha, permitiendo una mayor absorción de luz por debajo del valor de banda prohibida de Bi 2 S 3 , eso es sub-bandgap. Tales características llevaron a una alta ganancia, fotodetector de bajo ruido y alta sensibilidad.
Para comprender el mecanismo de deficiencia de azufre, construyeron un segundo fotodetector y sintetizaron el Bi 2 S 3 cristal, realizando un proceso de sulfuración (cambiando los porcentajes de concentración de Bi y S en el cristal) y posteriormente rellenando las vacantes de azufre. Observaron que el fotodetector tenía un tiempo de respuesta mucho más rápido, pero se limitó al rango espectral en el infrarrojo cercano.
Por lo tanto, para mejorar el tiempo de respuesta sin sacrificar su cobertura espectral en el infrarrojo, llevaron a cabo un tratamiento químico suave en el detector de base deficiente de azufre a través de un proceso de pasivación de la superficie del cristal. Completando el tratamiento, observaron que el tiempo de respuesta había alcanzado un valor de aproximadamente 10 ms para el rango de luz infrarroja y visible, 50 veces más rápido que el detector original basado en deficiencia de azufre.
Los resultados de este estudio proporcionan nuevos conocimientos sobre el papel que desempeñan las vacantes atómicas en la estructura electrónica y cómo los efectos de fotorrespuesta sub-bandgap pueden permitir ultrasensibles, rápido, y fotodetectores de banda ancha.
