Applicazioni come LIDAR, imaging 3D per dispositivi mobili, realtà automobilistica e realtà aumentata/virtuale o visione notturna per la sorveglianza, si basano sullo sviluppo di fotorilevatori a infrarossi a onde corte (SWIR). Questi dispositivi sono in grado di vedere nella regione dello spettro invisibile ai nostri occhi poiché operano nella finestra spettrale di 1-2 µm.
L'industria dei sensori di luce SWIR è dominata da anni dalla tecnologia epitassiale, basata principalmente su dispositivi realizzati in arseniuro di indio e gallio (InGaAs). Tuttavia, diversi fattori come gli elevati costi di produzione, la producibilità su scala ridotta e l'incompatibilità con CMOS hanno confinato la tecnologia epitassiale a mercati di nicchia e militari.
Al contrario, il potenziale dei fotorilevatori SWIR costituiti da punti quantici colloidali (CQD), materiali semiconduttori su scala nanometrica, ha suscitato un notevole interesse negli ultimi anni grazie alle loro caratteristiche interessanti, come il basso costo e la compatibilità con l'architettura CMOS, tra le altre.
Mentre i CQD stanno emergendo come tecnologia concorrente per i dispositivi basati su InGaAs, è importante chiarire che gli attuali fotorilevatori SWIR basati su CQD utilizzano componenti come calcogenuri di piombo (Pb) e mercurio (Hg). Entrambi questi elementi sono soggetti alla direttiva europea sulla restrizione delle sostanze pericolose (RoHS), che ne regola l'utilizzo nelle applicazioni commerciali di consumo.
Come conseguenza di questo quadro normativo, esiste un urgente bisogno di sviluppare sensori di luce SWIR basati su CQD rispettosi dell'ambiente e privi di metalli pesanti.
I CQD di antimoniuro di indio (InSb) hanno un grande potenziale per fornire dispositivi stabili e ad alte prestazioni. Inoltre, sono conformi alla direttiva RoHS e hanno accesso all'intera gamma SWIR grazie al basso gap di banda dell'InSb sfuso. Tuttavia, la sua sintesi si è rivelata finora impegnativa a causa della natura fortemente covalente di InSb e della mancanza di precursori altamente reattivi. Inoltre, studi precedenti hanno riportato che i CQD InSb sono instabili dopo l'esposizione all'aria a causa della forte propensione di Sb a ossidarsi.
In uno studio pubblicato su ACS Nano , i ricercatori dell'ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, guidati dal Prof. ICREA dell'ICFO, Gerasimos Konstantatos, in collaborazione con Pengfei Cao, del Centro Erns Ruska di microscopia e spettroscopia con elettroni, descrivono un nuovo metodo per sintetizzare CQD InSb senza arsenico con accesso alla gamma SWIR.
Il loro approccio include la progettazione di una struttura core-shell InSb/InP dei punti quantici sintetizzati che vengono utilizzati per fabbricare un fotorilevatore SWIR a risposta rapida e altamente sensibile.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo processo sintetico per produrre punti quantici InSb sintonizzabili ad ampio spettro di alta qualità con uniformità dimensionale utilizzando precursori chimici disponibili in commercio, superando alcuni degli ostacoli incontrati dalle strategie precedenti, incluso un impegnativo processo di sintesi ed elevata densità di difetti superficiali.
Nel loro studio, i ricercatori hanno adottato l’approccio “single-source”, utilizzando un processo di iniezione continua del precursore, invece di un’opzione di iniezione a caldo. Questa strategia è stata fondamentale per ottenere la CQD InSb con una distribuzione dimensionale ben controllata e un assorbimento distinto su un intervallo molto ampio dello spettro (da 900 nm a 1.750 nm).
Utilizzando una gamma di temperature di reazione che vanno da 220ºC a 250ºC, sono stati in grado di controllare le posizioni dei punti all'interno della pellicola sottile risultante trattata con una soluzione. "La risultante sintonizzabilità spettrale dal vicino infrarosso all'infrarosso a onde corte, ovvero da 900 nm a 1.750 nm, è la più grande finora riportata per InSb CQD", affermano i ricercatori.
Hanno osservato i campioni CQD elaborati con la tecnica della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e hanno confermato che i punti avevano una dimensione media di 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm e 7,0 nm che consentiva l'assorbimento di diverse lunghezze d'onda.
I ricercatori hanno anche caratterizzato la superficie dei CQD InSb, poiché è nota per essere cruciale per le proprietà optoelettroniche del materiale CQD. Hanno utilizzato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per studiare gli stati di ossidazione dell'Sb associati ai legami penzolanti dell'Sb non passivati della superficie e hanno potuto confermare la formazione di ossido di Sb sulla superficie non protetta.
Il passo successivo nella loro indagine è stato quello di sviluppare una strategia di passivazione per coprire i CQD InSb ottenuti creando un guscio per proteggere i QCD dall'ossidazione. La superficie dei QCD InSb è stata trattata con tricloruro di indio (InCl3 ). Ciò ha protetto i legami penzolanti superficiali di Sb riducendo i difetti e migliorando allo stesso tempo la stabilità colloidale dei CQD nelle fasi successive del processo di purificazione.
Successivamente, i ricercatori hanno sviluppato un guscio protettivo in fosfuro di indio (InP) con uno spessore sottile sopra il CQD InSb purificato. Hanno usato oleato di indio e fosfina sililammide come precursori per generare il guscio. Ciò ha causato un significativo spostamento verso il rosso nello spettro di assorbimento dei CQD InSb. La struttura core-shell InSb/InP è stata confermata successivamente dall'analisi degli spettri di fotoluminescenza.
"La struttura core-shell di InSb/InP significa far crescere un altro materiale (in questo caso, InP) sulla superficie del materiale incontaminato (in questo caso, InSb). Rispetto a InSb, InP è un materiale con bandgap più ampio che può passivare sufficientemente il trappole superficiali di InSb che sono dannose nei dispositivi optoelettronici. Inoltre, l'elemento Sb è piuttosto sensibile all'ossigeno, quindi la struttura nucleo-guscio può migliorare notevolmente la stabilità all'aria del materiale," spiega Lucheng Peng, ricercatore dell'ICFO e primo autore dello studio. studiare.
Produrre fotorilevatori più veloci e più sensibili
Una volta raggiunto questo primo passo, i ricercatori sono passati all’utilizzo dei CQD core-shell InSb/InP ottimizzati per fabbricare un fotorilevatore SWIR a bassa temperatura e ad alta velocità. Il dispositivo sensore di luce era formato da diversi strati sovrapposti:una base di ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasferimento di elettroni (ETL) costituito da biossido di titanio (TiO2 ), lo strato sottile contenente i CQD InSb/InP e uno strato superiore finale in oro.
Volevano ottenere un fotorilevatore con un tempo di risposta rapido da utilizzare in applicazioni che andassero oltre i frame rate video, quindi hanno utilizzato TiO2 come ETL a causa della sua stabilità fotochimica.
È stata quindi misurata la risposta del sensore di luce fabbricato. Come hanno scritto gli autori, il fotorilevatore "dimostra caratteristiche notevoli tra cui un'ampia gamma dinamica lineare superiore a 128 dB, un'efficienza quantica esterna massima (EQE) del 25% a 1.240 nm (e del 12% a 1.420 nm), un tempo di fotorisposta veloce di 70 ns e una sensibilità specifica fino a 4,4 × 10 11 Jones."
Come hanno potuto verificare i ricercatori, il dispositivo si è rivelato altamente resistente alle condizioni atmosferiche senza alcun incapsulamento. Dopo due mesi di esposizione all'ambiente, il fotorilevatore ha mantenuto le sue proprietà. Dopo 90 ore è stata verificata la stabilità del dispositivo anche in funzionamento all'aria aperta ed è risultato estremamente stabile.
"Si tratta del miglior fotorilevatore CQD SWIR elaborato finora basato su InSb, considerando sia le prestazioni che la stabilità, con cifre di merito che possono abilitare sensori di luce con frame rate elevato per la visione artificiale, l'imaging con gate e le applicazioni di rilevamento 3D", afferma Prof. ICREA presso ICFO Gerasimos Konstantatos.
"Il presente studio non solo mostra l'enorme potenziale dei CQD InSb come materiale attivo privo di metalli pesanti da utilizzare nei fotorilevatori SWIR, ma apre anche la porta a futuri sviluppi nell'InSb colloidale utilizzando metodi chimici umidi verso la fabbricazione di eseguire dispositivi elettronici o optoelettronici", conclude Konstantatos.
Il team sta ora lavorando su come ridurre ulteriormente la corrente oscura e aumentare l’efficienza quantistica dei fotosensori basati su CQD. Per fare ciò, devono concentrarsi principalmente sul miglioramento della mobilità dei portatori nei film sottili che contengono i CQD.
Il raggiungimento di questo obiettivo consentirà loro di ottenere una velocità di risposta più rapida per il sensore di luce, con l’obiettivo di andare oltre la velocità di risposta di 10 ns in modo che la tecnologia possa essere utilizzata in i-ToF (tempo di volo indiretto), che è utile in LIDAR e imaging 3D.
Ulteriori informazioni: Lucheng Peng et al, Punti quantici colloidali Core-Shell InSb/InP per fotorilevatori a infrarossi a onde corte sensibili e veloci, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12007
Informazioni sul giornale: ACS Nano
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