Uno studio condotto dai ricercatori dell'ICFO riferisce di un fotorilevatore a banda larga compatibile con CMOS altamente sensibile adattando i difetti dei materiali.

Nell'elettronica di consumo c'è un urgente bisogno di optoelettronica a infrarossi, compresi diodi emettitori di luce e fotorivelatori. Ad oggi, però, l'optoelettronica a infrarossi è servita da costosi semiconduttori III-V incompatibili con CMOS. Recentemente, è emersa una nuova classe di semiconduttori basata su punti quantici colloidali che affronta il problema della compatibilità CMOS. Quando si tratta di elettronica di consumo, l'utilizzo di materiali conformi alla RoHS è un prerequisito, e quindi, c'è una forte necessità per lo sviluppo di dispositivi ad alte prestazioni basati su elementi rispettosi dell'ambiente, qualcosa che è rimasto inafferrabile.

Per affrontare questa sfida, I ricercatori dell'ICFO hanno scoperto che controllando i difetti nei materiali si può estendere la portata spettrale del semiconduttore oltre la sua banda proibita, ampliando così la disponibilità di materiale per la parte infrarossa dello spettro.

In un recente studio pubblicato su Materiali ottici avanzati , I ricercatori ICFO Dr. Nengjie Huo, Dott. Alberto Figueroba, Dott. Y. Yang, Dott. Sotirios Christodoulou, Dott. Alexandros Stavrinadis, guidato da ICREA Prof presso ICFO Gerasimos Konstantatos, in collaborazione con il Prof. C. Magén dell'Univ. di Saragozza, hanno riferito sullo sviluppo di un rivelatore a infrarossi utilizzando solfuro di bismuto, che ha elevati livelli di risposta fotografica nel campo dell'infrarosso a onde corte grazie alla formazione di difetti nel materiale.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno fabbricato un rilevatore fotoconduttivo, depositando uno strato sottilissimo di Bi ₂ S ₃ scaglie su un Si/SiO ₂ substrato. Una volta costruito, il team ha potuto osservare che il Bi ₂ S ₃ i fiocchi presentavano vuoti di zolfo o difetti nel materiale (carenti di zolfo), che ha creato estesi stati in-gap, consentendo un maggiore assorbimento della luce al di sotto del valore di bandgap di Bi ₂ S ₃ , questo è il sub-bandgap. Tali caratteristiche hanno portato ad un alto guadagno, fotorivelatore a basso rumore e ad alta sensibilità.

Per comprendere il meccanismo della carenza di zolfo, costruirono un secondo fotorivelatore e sintetizzarono il Bi ₂ S ₃ cristallo, eseguendo un processo di solforazione (modificando le percentuali di concentrazione di Bi e S nel cristallo) e successivamente riempiendo le vacanze di zolfo. Hanno osservato che il fotorilevatore aveva un tempo di risposta molto più veloce, ma era limitato alla gamma spettrale nel vicino infrarosso.

Così, per migliorare il tempo di risposta senza sacrificare la sua copertura spettrale nell'infrarosso, hanno effettuato un blando trattamento chimico sul rivelatore a base di zolfo carente attraverso un processo di passivazione superficiale del cristallo. Completando il trattamento, hanno osservato che il tempo di risposta aveva raggiunto un valore di circa 10 ms per la gamma dell'infrarosso e della luce visibile, 50 volte più veloce del rilevatore originale a base di carenza di zolfo.

I risultati di questo studio forniscono nuove informazioni sul ruolo che i posti vacanti atomici giocano nella struttura elettronica e su come gli effetti di fotorisposta sub-bandgap possono consentire agli ultrasensibili, veloce, e fotorilevatori a banda larga.