Aplicações como LIDAR, imagens 3D para dispositivos móveis, realidade automotiva e realidade aumentada/virtual ou visão noturna para vigilância, contam com o desenvolvimento de fotodetectores infravermelhos de ondas curtas (SWIR). Esses dispositivos são capazes de enxergar na região do espectro que é invisível aos nossos olhos, pois operam na janela espectral de 1-2 µm.



A indústria de sensores de luz SWIR tem sido dominada há anos pela tecnologia epitaxial, baseada principalmente em dispositivos feitos de arseneto de índio e gálio (InGaAs). No entanto, vários fatores, como altos custos de produção, capacidade de fabricação em baixa escala e incompatibilidade com CMOS, confinaram a tecnologia epitaxial a nichos e mercados militares.

Em contraste, o potencial dos fotodetectores SWIR feitos de pontos quânticos coloidais (CQDs), materiais semicondutores em nanoescala, tem atraído interesse significativo nos últimos anos devido às suas características atraentes, como baixo custo e compatibilidade com arquitetura CMOS, entre outras.

Embora os CQDs estejam emergindo como uma tecnologia concorrente para dispositivos baseados em InGaAs, é importante esclarecer que os atuais fotodetectores SWIR baseados em CQDs usam componentes como calcogenetos de chumbo (Pb) e mercúrio (Hg). Ambos os elementos estão sujeitos à diretiva europeia de Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS), que regula seu uso em aplicações comerciais de consumo.

Como consequência deste quadro regulamentar, existe um desejo premente para o desenvolvimento de sensores de luz SWIR baseados em CQDs ecológicos e isentos de metais pesados.

Os CQDs de antimoneto de índio (InSb) têm um grande potencial para fornecer dispositivos de alto desempenho e estabilidade. Além disso, eles são compatíveis com RoHS e têm acesso a toda a faixa SWIR graças ao baixo bandgap do InSb em massa. No entanto, a sua síntese tem provado ser um desafio até agora devido à natureza mais fortemente covalente do InSb e à falta de precursores altamente reativos. Além disso, estudos anteriores relataram que os CQDs InSb são instáveis ​​​​quando expostos ao ar devido à forte propensão do Sb à oxidação.

Em um estudo publicado no ACS Nano , pesquisadores do ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, liderados pelo Prof. ICREA do ICFO, Gerasimos Konstantatos, em colaboração com Pengfei Cao, do Centro Erns Ruska de Microscopia e Espectroscopia com Elétrons, descrevem um novo método para sintetizar CQDs InSb livres de arsênico com acesso à linha SWIR.

Sua abordagem inclui o projeto de uma estrutura core-shell InSb/InP dos pontos quânticos sintetizados que são usados ​​para fabricar um fotodetector SWIR de resposta rápida e altamente sensível.

No novo estudo, os pesquisadores desenvolveram um novo processo sintético para produzir pontos quânticos InSb sintonizáveis ​​espectrais amplos de alta qualidade com uniformidade de tamanho, usando precursores químicos disponíveis comercialmente, superando alguns dos obstáculos que as estratégias anteriores haviam sofrido, incluindo um processo de síntese desafiador. e alta densidade de defeitos superficiais.

Em seu estudo, os pesquisadores adotaram a “abordagem de fonte única”, usando um processo contínuo de injeção de precursor, em vez de uma opção de injeção a quente. Esta estratégia foi fundamental para obter CQD InSb com uma distribuição de tamanho bem controlada e absorção distinta em uma faixa muito ampla do espectro (900 nm a 1.750 nm).

Usando uma faixa de temperaturas de reação que varia de 220ºC a 250ºC, eles foram capazes de controlar as posições dos pontos dentro do filme fino processado em solução resultante. “A sintonização espectral resultante do infravermelho próximo ao infravermelho de ondas curtas, que vai de 900 nm a 1.750 nm, é a maior relatada até o momento para o InSb CQD”, dizem os pesquisadores.

Eles observaram as amostras CQD processadas com a técnica de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e confirmaram que os pontos tinham tamanho médio de 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm e 7,0 nm que possibilitavam a absorção de diferentes comprimentos de onda.

Os pesquisadores também caracterizaram a superfície dos CQDs InSb, uma vez que ela é conhecida por ser crucial para as propriedades optoeletrônicas do material CQD. Eles usaram espectroscopia de fotoelétrons de raios X para investigar os estados de oxidação do Sb que estão associados às ligações pendentes de Sb não passivadas da superfície e puderam confirmar a formação de óxido de Sb sobre a superfície desprotegida.

O próximo passo em sua investigação foi desenvolver uma estratégia de passivação para cobrir os CQDs InSb obtidos, criando um invólucro para proteger os QCDs da oxidação. A superfície dos QCDs InSb foi tratada com tricloreto de índio (InCl₃ ). Isto protegeu as ligações pendentes da superfície do Sb, reduzindo os defeitos e melhorando ao mesmo tempo a estabilidade coloidal dos CQDs nas etapas seguintes do processo de purificação.

Posteriormente, os pesquisadores desenvolveram uma camada de proteção de fosfeto de índio (InP) com espessura fina sobre o CQD InSb purificado. Eles usaram oleato de índio e fosfina sililamida como precursores para gerar a casca. Isto causou um desvio significativo para o vermelho no espectro de absorção dos CQDs InSb. A estrutura núcleo-invólucro InSb/InP foi confirmada posteriormente pela análise do espectro de fotoluminescência.

"Estrutura núcleo-casca InSb/InP significa cultivar outro material (neste caso, InP) na superfície do material original (neste caso, InSb). Em comparação com InSb, InP é um material bandgap mais amplo que pode passivar suficientemente o armadilhas de superfície de InSb que são prejudiciais em dispositivos optoeletrônicos. Além disso, o elemento Sb é bastante sensível ao oxigênio, de modo que a estrutura núcleo-invólucro pode melhorar amplamente a estabilidade do material ao ar", explica Lucheng Peng, pesquisador do ICFO e primeiro autor do o. estudar.

Fabricação de fotodetectores mais rápidos e sensíveis

Uma vez alcançado este primeiro passo, os pesquisadores passaram a usar os CQDs core-shell otimizados InSb/InP para fabricar um fotodetector SWIR de baixa temperatura e alta velocidade. O dispositivo sensor de luz era formado por diversas camadas empilhadas:uma base de óxido de índio e estanho (ITO), uma camada de transferência de elétrons (ETL) feita de dióxido de titânio (TiO₂ ), a fina camada contendo os CQDs InSb/InP e uma camada superior final feita de ouro.

Eles queriam obter um fotodetector com tempo de resposta rápido para ser usado em aplicações que vão além das taxas de quadros de vídeo, então usaram TiO₂ como um ETL devido à sua estabilidade fotoquímica.

A resposta do sensor de luz fabricado foi então medida. Como escreveram os autores, o fotodetector “demonstra características notáveis, incluindo uma ampla faixa dinâmica linear superior a 128 dB, uma eficiência quântica externa máxima (EQE) de 25% a 1.240 nm (e 12% a 1.420 nm), tempo de fotoresposta rápido de 70 ns , e uma detectividade específica de até 4,4 × 10 ¹¹ Jones."

Como os pesquisadores puderam verificar, o dispositivo revelou-se altamente resistente às condições atmosféricas sem qualquer encapsulamento. Após dois meses de exposição ao ambiente, o fotodetector manteve suas propriedades. Após 90 horas, a estabilidade do aparelho também foi verificada quando funcionava ao ar livre, sendo considerado extremamente estável.

"Este é o melhor fotodetector CQD SWIR processado por solução baseado em InSb até agora, considerando desempenho e estabilidade, com números de mérito que podem permitir sensores de luz de alta taxa de quadros para visão de máquina, imagens fechadas e aplicações de detecção 3D", diz ICREA Prof. do ICFO Gerasimos Konstantos.

"O presente estudo não apenas mostra o enorme potencial dos CQDs InSb como um material ativo livre de metais pesados ​​para ser usado em fotodetectores SWIR, mas também abre a porta para desenvolvimentos futuros em InSb coloidal utilizando métodos químicos úmidos para a fabricação de alta- realizando dispositivos eletrônicos ou optoeletrônicos", conclui Konstantos.

A equipe está agora trabalhando em como reduzir ainda mais a corrente escura e aumentar a eficiência quântica dos fotossensores baseados em CQDs. Para fazer isso, eles precisam se concentrar principalmente na melhoria da mobilidade dos portadores nos filmes finos que contêm os CQDs.

Conseguir isso permitirá obter uma velocidade de resposta mais rápida para o sensor de luz, visando ir além da velocidade de resposta de 10 ns para que a tecnologia possa ser usada em i-ToF (tempo de voo indireto), que é útil em Imagens LIDAR e 3D.

Mais informações: Lucheng Peng et al, InSb/InP Core-Shell Colloidal Quantum Dots for Sensitive and Fast Short-Wave Infrared Photodetectors, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12007
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido por ICFO