Tillämpningar som LIDAR, 3D-bilder för mobila enheter, bilar och förstärkt/virtuell verklighet eller mörkerseende för övervakning, är beroende av utvecklingen av kortvågiga infraröda (SWIR) fotodetektorer. Dessa enheter kan se i området av spektrumet som är osynligt för vårt öga eftersom de arbetar i spektralfönstret på 1-2 µm.
SWIR-ljussensorindustrin har i åratal dominerats av epitaxialteknologi, huvudsakligen baserad på enheter gjorda av indiumgalliumarsenid (InGaAs). Men flera faktorer såsom höga produktionskostnader, lågskalig tillverkning och inkompatibilitet med CMOS har begränsat den epitaxiella tekniken till nisch- och militärmarknader.
Däremot har potentialen hos SWIR-fotodetektorer gjorda av kolloidala kvantpunkter (CQD), halvledarmaterial i nanoskala, väckt stort intresse under de senaste åren på grund av deras tilltalande egenskaper, såsom låg kostnad och kompatibilitet med bland annat CMOS-arkitektur.
Medan CQDs håller på att dyka upp som en konkurrentteknologi för InGaAs-baserade enheter, är det viktigt att klargöra att nuvarande CQDs-baserade SWIR-fotodetektorer använder komponenter som bly (Pb) och kvicksilver (Hg) kalkogenider. Båda dessa element är föremål för det europeiska direktivet om begränsning av farliga ämnen (RoHS), som reglerar deras användning i kommersiella konsumenttillämpningar.
Som en konsekvens av detta regelverk finns det ett pressande behov av utveckling av SWIR-ljussensorer baserade på miljövänliga, tungmetallfria CQD:er.
Indium antimonide (InSb) CQDs har en stor potential att leverera högpresterande och stabilitetsenheter. Dessutom är de RoHS-kompatibla och har tillgång över hela SWIR-sortimentet tack vare det låga bandgapet av bulk InSb. Dess syntes har dock visat sig vara utmanande hittills på grund av den starkaste kovalenta naturen hos InSb och bristen på mycket reaktiva prekursorer. Dessutom har tidigare studier rapporterat att InSb CQDs är instabila vid exponering för luft på grund av den starka benägenheten hos Sb att oxidera.
I en studie publicerad i ACS Nano , beskriver forskare från ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, ledd av prof. ICREA vid ICFO, Gerasimos Konstantatos, i samarbete med Pengfei Cao, från Erns Ruska Center for Microscopy and Spectroscopy with Electrons, en ny metod för att syntetisera arsenikfria InSb CQD:er med tillgång till SWIR-sortimentet.
Deras tillvägagångssätt inkluderar designen av en InSb/InP kärna-skal-struktur av de syntetiserade kvantprickarna som används för att tillverka en snabbrespons och mycket känslig SWIR-fotodetektor.
I den nya studien har forskarna utvecklat en ny syntetisk process för att producera högkvalitativa bredspektrala avstämbara InSb-kvantprickar med storlekslikformighet genom att använda kommersiellt tillgängliga kemiska prekursorer, för att övervinna några av de hinder som tidigare strategier hade drabbats av, inklusive en utmanande syntesprocess och hög ytdefektdensitet.
I sin studie antog forskarna "single-source-metoden", med hjälp av en kontinuerlig prekursorinjektionsprocess, istället för en varm injektionsalternativ. Denna strategi var nyckeln för att erhålla InSb CQD med en välkontrollerad storleksfördelning och distinkt absorption över ett mycket brett spektrum av spektrum (900 nm till 1 750 nm).
Genom att använda ett intervall av reaktionstemperaturer som sträcker sig från 220ºC till 250ºC, kunde de kontrollera positionerna för prickarna i den resulterande lösningsbearbetade tunna filmen. "Den resulterande spektrala inställningsförmågan från nära infraröd till kortvågig infraröd, det vill säga från 900 nm till 1 750 nm, är den största rapporterade hittills för InSb CQD", säger forskarna.
De observerade de bearbetade CQD-proverna med transmissionselektronmikroskopi (TEM) teknik och bekräftade att prickarna hade en medelstorlek på 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm och 7,0 nm som möjliggjorde absorption av olika våglängder.
Forskarna karakteriserade också ytan på InSb CQD, eftersom den är känd för att vara avgörande för CQD-materialets optoelektroniska egenskaper. De använde röntgenfotoelektronspektroskopi för att undersöka oxidationstillstånden för Sb som är förknippade med ytans opassiverade Sb dinglande bindningar och de kunde bekräfta bildandet av Sb-oxid över den oskyddade ytan.
Nästa steg i deras undersökning var att utveckla en passiveringsstrategi för att täcka de erhållna InSb CQD:erna och skapa ett skal för att skydda QCD:erna från oxidation. Ytan på InSb QCDs behandlades med indiumtriklorid (InCl3 ). Detta skyddade de hängande ytbindningarna av Sb genom att minska defekterna och samtidigt förbättra den kolloidala stabiliteten hos CQD i följande steg i reningsprocessen.
Därefter odlade forskarna ett indiumfosfid (InP) skyddsskal med tunn tjocklek över den renade InSb CQD. De använde indiumoleat och fosfinsilylamid som prekursorer för att generera skalet. Detta orsakade ett signifikant rött skifte på absorptionsspektrumet för InSb CQDs. InSb/InP-kärnskalstrukturen bekräftades senare av fotoluminescensspektraanalysen.
"InSb/InP kärna-skalstruktur innebär att man odlar ett annat material (i det här fallet InP) på ytan av det orörda materialet (i det här fallet InSb). Jämfört med InSb är InP ett bredare bandgapmaterial som tillräckligt kan passivera ytfällor av InSb som är skadliga i optoelektroniska enheter. Sb-elementet är också ganska känsligt för syre, så kärnan-skalstrukturen kan till stor del förbättra materialets luftstabilitet", förklarar Lucheng Peng, ICFO-forskare och första författare till materialet. studera.
Tillverkar snabbare och känsligare fotodetektorer
När detta första steg hade uppnåtts, gick forskarna vidare till att använda de optimerade InSb/InP kärnskal CQDs för att tillverka en lågtemperatur, höghastighets SWIR fotodetektor. Ljussensoranordningen bildades av flera staplade lager:en bas av indiumtennoxid (ITO), ett elektronöverföringsskikt (ETL) tillverkat av titandioxid (TiO2 ), det tunna lagret som innehåller InSb/InP CQDs och ett sista topplager av guld.
De ville skaffa en fotodetektor med snabb tidsrespons som skulle användas i applikationer som går längre än videobildhastigheter, så de använde TiO2 som en ETL på grund av dess fotokemiska stabilitet.
Svaret från den tillverkade ljussensorn mättes sedan. Som författarna skrev, visar fotodetektorn anmärkningsvärda egenskaper inklusive ett brett linjärt dynamiskt område som överstiger 128 dB, en maximal extern kvanteffektivitet (EQE) på 25 % vid 1 240 nm (och 12 % vid 1 420 nm), snabb fotosvarstid på 70 ns , och en specifik detektivitet på upp till 4,4 × 10 11 Jones."
Som forskarna kunde verifiera visade sig enheten vara mycket resistent mot atmosfäriska förhållanden utan någon inkapsling. Efter två månaders exponering för den omgivande miljön bibehöll fotodetektorn sina egenskaper. Efter 90 timmar verifierades enhetens stabilitet även när den fungerade utomhus, och den visade sig vara extremt stabil.
"Detta är den bästa lösningsbearbetade, CQD SWIR-fotodetektorn baserad på InSb hittills med tanke på både prestanda och stabilitet, med meriter som kan möjliggöra ljussensorer med hög bildhastighet för maskinseende, gated imaging och 3D-avkänningstillämpningar", säger ICREA Prof. vid ICFO Gerasimos Konstantatos.
"Den här studien visar inte bara den enorma potentialen hos InSb CQDs som ett aktivt material fritt från tungmetaller för användning i SWIR-fotodetektorer, utan den öppnar också dörren för framtida utvecklingar inom kolloidalt InSb med användning av våtkemiska metoder för tillverkning av hög- utför elektroniska eller optoelektroniska enheter", avslutar Konstantatos.
Teamet arbetar nu med hur man ytterligare kan minska den mörka strömmen och öka kvanteffektiviteten hos de CQDs-baserade fotosensorerna. För att göra det måste de främst fokusera på att förbättra bärarrörligheten i de tunna filmerna som innehåller CQD:erna.
Att uppnå detta kommer att tillåta dem att få en snabbare svarshastighet för ljussensorn, med sikte på att gå längre än 10 ns svarshastighet så att tekniken kan användas i i-ToF (indirekt-tid-of-flight), vilket är användbart i LIDAR och 3D-bilder.
Mer information: Lucheng Peng et al, InSb/InP Core–Shell Colloidal Quantum Dots för känsliga och snabba kortvågiga infraröda fotodetektorer, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12007
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av ICFO
