esquerda:imagem STEM de cristal onde as bolas vermelhas e verdes representam átomos de bismuto e enxofre. À direita:ilustração esquemática do detector Bi2S3 no substrato Si / SiO2. Crédito:ICFO
Um estudo conduzido por pesquisadores do ICFO relata sobre um fotodetector de banda larga compatível com CMOS altamente sensível, adaptando os defeitos do material.
Há uma necessidade urgente de eletrônicos de consumo para optoeletrônica infravermelha, incluindo diodos emissores de luz e fotodetectores. A data, Contudo, optoeletrônicos infravermelhos são servidos por semicondutores CMOS incompatíveis III-V caros. Recentemente, surgiu uma nova classe de semicondutores com base em pontos quânticos coloidais que aborda o problema de compatibilidade do CMOS. Quando se trata de eletrônicos de consumo, o uso de materiais em conformidade com a RoHS é um pré-requisito, e portanto, há uma forte necessidade de desenvolvimento de dispositivos de alto desempenho baseados em elementos ecologicamente corretos, algo que permaneceu indefinido.
Para enfrentar este desafio, Os pesquisadores do ICFO descobriram que, ao controlar defeitos nos materiais, pode-se estender o alcance espectral do semicondutor além de seu bandgap, expandindo assim a disponibilidade de material para a parte infravermelha do espectro.
Em um estudo recente publicado em Materiais Óticos Avançados , Pesquisadores do ICFO, Dr. Nengjie Huo, Dr. Alberto Figueroba, Dr. Y. Yang, Dr. Sotirios Christodoulou, Dr. Alexandros Stavrinadis, liderado pelo ICREA Prof na ICFO Gerasimos Konstantatos, em colaboração com o Prof. C. Magén da Univ. de Zaragoza, relataram o desenvolvimento de um detector infravermelho usando sulfeto de bismuto, que apresenta níveis de foto resposta rápidos na faixa do infravermelho de ondas curtas, graças à formação de defeitos no material.
Em seu experimento, os pesquisadores fabricaram um detector fotocondutor, depositando uma camada muito fina de Bi 2 S 3 lasca em um Si / SiO 2 substrato. Uma vez construído, a equipe pôde observar que o Bi 2 S 3 flocos possuíam lacunas de enxofre ou defeitos no material (deficiente em enxofre), que criou estados in-gap estendidos, permitindo uma maior absorção de luz abaixo do valor bandgap de Bi 2 S 3 , isso é sub-bandgap. Esses recursos levaram a um alto ganho, fotodetector de baixo ruído e alta sensibilidade.
Para entender o mecanismo de deficiência de enxofre, eles construíram um segundo fotodetector e sintetizaram o Bi 2 S 3 cristal, realizando um processo de sulfurização (alterando os percentuais de concentração de Bi e S no cristal) e, posteriormente, preenchendo as lacunas de enxofre. Eles observaram que o fotodetector teve um tempo de resposta muito mais rápido, mas estava limitado à faixa espectral no infravermelho próximo.
Assim, para melhorar o tempo de resposta sem sacrificar sua cobertura espectral no infravermelho, eles realizaram um tratamento químico suave no detector com base em enxofre através de um processo de passivação da superfície do cristal. Completando o tratamento, eles observaram que o tempo de resposta atingiu um valor de aproximadamente 10ms para a faixa de infravermelho e luz visível, 50 vezes mais rápido do que o detector original com base na deficiência de enxofre.
Os resultados deste estudo fornecem novos insights sobre o papel que as vacâncias atômicas desempenham na estrutura eletrônica e como os efeitos de fotorresposta sub-bandgap podem permitir ultrassensibilidade, velozes, e fotodetectores de banda larga.
