Aplicaciones como LIDAR, imágenes 3D para dispositivos móviles, automoción y realidad aumentada/virtual o visión nocturna para vigilancia, se basan en el desarrollo de fotodetectores de infrarrojos de onda corta (SWIR). Estos dispositivos son capaces de ver en la región del espectro que es invisible a nuestro ojo ya que operan en la ventana espectral de 1-2 µm.
La industria de los sensores de luz SWIR ha estado dominada durante años por la tecnología epitaxial, basada principalmente en dispositivos fabricados con arseniuro de indio y galio (InGaAs). Sin embargo, varios factores, como los altos costos de producción, la capacidad de fabricación a baja escala y la incompatibilidad con CMOS, han confinado la tecnología epitaxial a nichos de mercado y militares.
Por el contrario, el potencial de los fotodetectores SWIR fabricados a partir de puntos cuánticos coloidales (CQD), materiales semiconductores a nanoescala, ha despertado un gran interés en los últimos años debido a sus atractivas características, como el bajo coste y la compatibilidad con la arquitectura CMOS, entre otras.
Si bien los CQD están surgiendo como una tecnología competidora para los dispositivos basados en InGaAs, es importante aclarar que los fotodetectores SWIR basados en CQD actuales utilizan componentes como calcogenuros de plomo (Pb) y mercurio (Hg). Ambos elementos están sujetos a la directiva europea de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS), que regula su uso en aplicaciones comerciales de consumo.
Como consecuencia de este marco regulatorio, existe una urgente necesidad de desarrollar sensores de luz SWIR basados en CQD libres de metales pesados y respetuosos con el medio ambiente.
Los CQD de antimonuro de indio (InSb) tienen un gran potencial para ofrecer dispositivos de alto rendimiento y estabilidad. Además, cumplen con RoHS y tienen acceso a toda la gama SWIR gracias a la baja banda prohibida del InSb a granel. Sin embargo, su síntesis ha demostrado ser un desafío hasta ahora debido a la naturaleza más fuertemente covalente del InSb y a la falta de precursores altamente reactivos. Además, estudios previos han informado que los CQD de InSb son inestables al exponerse al aire debido a la fuerte propensión del Sb a oxidarse.
En un estudio publicado en ACS Nano , investigadores del ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, dirigidos por el Prof. ICREA del ICFO, Gerasimos Konstantatos, en colaboración con Pengfei Cao, del Centro Erns Ruska de Microscopía y Espectroscopía con Electrones, describen un nuevo método para sintetizar CQD de InSb sin arsénico con acceso a la gama SWIR.
Su enfoque incluye el diseño de una estructura núcleo-capa de InSb/InP de los puntos cuánticos sintetizados que se utilizan para fabricar un fotodetector SWIR de respuesta rápida y alta sensibilidad.
En el nuevo estudio, los investigadores han desarrollado un nuevo proceso sintético para producir puntos cuánticos de InSb sintonizables de amplio espectro y alta calidad con uniformidad de tamaño mediante el uso de precursores químicos disponibles comercialmente, superando algunos de los obstáculos que habían sufrido las estrategias anteriores, incluido un proceso de síntesis desafiante. y alta densidad de defectos superficiales.
En su estudio, los investigadores adoptaron el "enfoque de fuente única", utilizando un proceso de inyección continua de precursores, en lugar de una opción de inyección en caliente. Esta estrategia fue clave para obtener InSb CQD con una distribución de tamaño bien controlada y una absorción distinta en un rango muy amplio del espectro (900 nm a 1750 nm).
Utilizando un rango de temperaturas de reacción que oscilaban entre 220 °C y 250 °C, pudieron controlar las posiciones de los puntos dentro de la película delgada procesada con solución resultante. "La sintonizabilidad espectral resultante desde el infrarrojo cercano al infrarrojo de onda corta, es decir, de 900 nm a 1750 nm, es la mayor registrada hasta la fecha para InSb CQD", afirman los investigadores.
Observaron las muestras de CQD procesadas con la técnica de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y confirmaron que los puntos tenían un tamaño promedio de 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm y 7,0 nm que permitían la absorción de diferentes longitudes de onda.
Los investigadores también caracterizaron la superficie de los CQD de InSb, ya que se sabe que es crucial para las propiedades optoelectrónicas del material CQD. Utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para investigar los estados de oxidación del Sb asociados a los enlaces colgantes del Sb no pasivados de la superficie y pudieron confirmar la formación de óxido de Sb sobre la superficie desprotegida.
El siguiente paso en su investigación fue desarrollar una estrategia de pasivación para cubrir los CQD de InSb obtenidos creando una capa para proteger los QCD de la oxidación. La superficie de los QCD de InSb se trató con tricloruro de indio (InCl3 ). Esto protegió los enlaces colgantes de la superficie de Sb reduciendo los defectos y mejorando al mismo tiempo la estabilidad coloidal de los CQD en los siguientes pasos del proceso de purificación.
Posteriormente, los investigadores cultivaron una capa protectora de fosfuro de indio (InP) de espesor fino sobre el CQD de InSb purificado. Utilizaron oleato de indio y fosfina sililamida como precursores para generar la cáscara. Esto provocó un importante desplazamiento hacia el rojo en el espectro de absorción de los CQD de InSb. La estructura núcleo-capa de InSb/InP se confirmó posteriormente mediante el análisis de los espectros de fotoluminiscencia.
"La estructura núcleo-cubierta de InSb/InP significa hacer crecer otro material (en este caso, InP) en la superficie del material prístino (en este caso, InSb). En comparación con InSb, InP es un material de banda prohibida más amplia que puede pasivar suficientemente el trampas superficiales de InSb que son perjudiciales en los dispositivos optoelectrónicos. Además, el elemento Sb es bastante sensible al oxígeno, por lo que la estructura núcleo-cubierta puede mejorar en gran medida la estabilidad del material en el aire", explica Lucheng Peng, investigador del ICFO y primer autor del artículo. estudio.
Fabricando fotodetectores más rápidos y sensibles
Una vez que se logró este primer paso, los investigadores pasaron a utilizar los CQD de núcleo-cubierta de InSb/InP optimizados para fabricar un fotodetector SWIR de alta velocidad y baja temperatura. El dispositivo sensor de luz estaba formado por varias capas apiladas:una base de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transferencia de electrones (ETL) hecha de dióxido de titanio (TiO2 ), la fina capa que contiene los CQD de InSb/InP y una capa superior final hecha de oro.
Querían obtener un fotodetector con una respuesta rápida para poder usarlo en aplicaciones que van más allá de las velocidades de fotogramas de vídeo, por lo que utilizaron TiO2. como ETL debido a su estabilidad fotoquímica.
Luego se midió la respuesta del sensor de luz fabricado. Como escribieron los autores, el fotodetector "demuestra características notables que incluyen un amplio rango dinámico lineal que supera los 128 dB, una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 25% a 1240 nm (y del 12% a 1420 nm), un tiempo de fotorespuesta rápido de 70 ns , y una detectividad específica de hasta 4,4 × 10 11 Jones."
Como pudieron comprobar los investigadores, el dispositivo resultó ser altamente resistente a las condiciones atmosféricas sin ningún tipo de encapsulación. Después de dos meses de exposición al ambiente, el fotodetector mantuvo sus propiedades. Después de 90 horas, también se verificó la estabilidad del dispositivo cuando estaba funcionando al aire libre y se encontró que era extremadamente estable.
"Este es el mejor fotodetector CQD SWIR procesado por solución basado en InSb hasta el momento considerando tanto el rendimiento como la estabilidad, con cifras de mérito que pueden habilitar sensores de luz de alta velocidad de fotogramas para aplicaciones de visión artificial, imágenes controladas y detección 3D", dice Prof. ICREA en ICFO Gerasimos Konstantatos.
"El presente estudio no sólo muestra el enorme potencial de los CQD de InSb como material activo libre de metales pesados para ser utilizado en fotodetectores SWIR, sino que también abre la puerta a futuros desarrollos en InSb coloidal utilizando métodos químicos húmedos para la fabricación de compuestos de alta calidad. dispositivos electrónicos u optoelectrónicos", concluye Konstantatos.
El equipo ahora está trabajando en cómo reducir aún más la corriente oscura y aumentar la eficiencia cuántica de los fotosensores basados en CQD. Para ello, deben centrarse principalmente en mejorar la movilidad del portador en las películas delgadas que contienen los CQD.
Lograr esto les permitirá obtener una velocidad de respuesta más rápida para el sensor de luz, con el objetivo de ir más allá de la velocidad de respuesta de 10 ns para que la tecnología pueda usarse en i-ToF (tiempo de vuelo indirecto), que es útil en LIDAR e imágenes 3D.
Más información: Lucheng Peng et al, Puntos cuánticos coloidales InSb/InP Core-Shell para fotodetectores infrarrojos de onda corta sensibles y rápidos, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12007
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por ICFO
