En studie ledd av ICFO-forskare rapporterar om en mycket känslig CMOS-kompatibel bredbandsfotodetektor genom att skräddarsy materialdefekter.

Det finns ett akut behov inom hemelektronik för infraröd optoelektronik, inklusive lysdioder och fotodetektorer. Hittills, dock, infraröd optoelektronik betjänas av dyra CMOS-inkompatibla III-V-halvledare. Nyligen, en ny klass av halvledare baserad på kolloidala kvantprickar som tar itu med CMOS-kompatibilitetsproblemet har dykt upp. När det kommer till hemelektronik, användningen av RoHS-kompatibla material är en förutsättning, och därför, det finns ett stort behov av utveckling av högpresterande enheter baserade på miljövänliga element, något som har förblivit svårfångat.

För att möta denna utmaning, ICFO-forskare har upptäckt att genom att kontrollera defekter i material kan man utöka halvledarens spektrala räckvidd utanför dess bandgap, utökar därmed materialtillgängligheten för den infraröda delen av spektrumet.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Avancerat optiskt material , ICFO-forskare Dr. Nengjie Huo, Dr Alberto Figueroba, Dr. Y. Yang, Dr Sotirios Christodoulou, Dr Alexandros Stavrinadis, leds av ICREA-professor vid ICFO Gerasimos Konstantatos, i samarbete med prof. C. Magén från Univ. av Zaragoza, har rapporterat om utvecklingen av en infraröd detektor som använder vismutsulfid, som har snabba höga fotoresponsnivåer i det kortvågiga infraröda området tack vare bildandet av defekter i materialet.

I deras experiment, forskarna tillverkade en fotokonduktiv detektor, avsättning av ett mycket tunt lager av Bi ₂ S ₃ flingor på en Si/SiO ₂ substrat. En gång byggd, teamet kunde observera att Bi ₂ S ₃ flingor hade svavelhalter eller defekter i materialet (svavelbrist), vilket skapade utökade tillstånd med mellanrum, vilket möjliggör en ökad absorption av ljus under bandgapvärdet för Bi ₂ S ₃ , det är subbandgap. Sådana egenskaper ledde till en hög vinst, fotodetektor med låg brus och hög känslighet.

För att förstå svavelbristmekanismen, de byggde en andra fotodetektor och syntetiserade Bi ₂ S ₃ kristall, genom att utföra en sulfuriseringsprocess (ändra koncentrationsprocenten av Bi och S i kristallen) och därefter fylla på svavelvakanserna. De observerade att fotodetektorn hade en mycket snabbare svarstid, men var begränsad till spektralområdet i det nära infraröda området.

Således, att förbättra svarstiden utan att offra dess spektrala täckning i infraröd, de utförde en mild kemisk behandling på den svavelbristbaserade detektorn genom en ytpassiveringsprocess av kristallen. avsluta behandlingen, de observerade att tidssvaret hade nått ett värde på cirka 10ms för det infraröda och synliga ljusområdet, 50 gånger snabbare än den ursprungliga svavelbristbaserade detektorn.

Resultaten av denna studie ger nya insikter om vilken roll atomära vakanser spelar i den elektroniska strukturen och hur sub-bandgap fotoresponseffekter kan möjliggöra ultrakänsliga, snabb, och bredbandsfotodetektorer.