Une étude menée par des chercheurs de l'ICFO rend compte d'un photodétecteur à large bande compatible CMOS très sensible en adaptant les défauts des matériaux.

Il y a un besoin urgent dans l'électronique grand public pour l'optoélectronique infrarouge, y compris les diodes électroluminescentes et les photodétecteurs. À ce jour, cependant, l'optoélectronique infrarouge est servie par des semi-conducteurs III-V incompatibles CMOS coûteux. Récemment, une nouvelle classe de semi-conducteurs basée sur des points quantiques colloïdaux qui résout le problème de compatibilité CMOS est apparue. En matière d'électronique grand public, l'utilisation de matériaux conformes RoHS est un prérequis, et donc, il existe un fort besoin de développement de dispositifs performants à base d'éléments respectueux de l'environnement, quelque chose qui est resté insaisissable.

Pour relever ce défi, Les chercheurs de l'ICFO ont découvert qu'en contrôlant les défauts des matériaux, on peut étendre la portée spectrale du semi-conducteur au-delà de sa bande interdite, augmentant ainsi la disponibilité matérielle pour la partie infrarouge du spectre.

Dans une étude récente publiée dans Matériaux optiques avancés , Les chercheurs de l'ICFO, le Dr Nengjie Huo, Dr Alberto Figueroba, Dr Y. Yang, Dr Sotirios Christodoulou, Dr Alexandros Stavrinadis, dirigé par ICREA Prof à ICFO Gerasimos Konstantatos, en collaboration avec le Prof. C. Magén de l'Univ. de Saragosse, ont rapporté le développement d'un détecteur infrarouge utilisant du sulfure de bismuth, qui a des niveaux de réponse photo élevés rapides dans la gamme infrarouge à ondes courtes grâce à la formation de défauts dans le matériau.

Dans leur expérience, les chercheurs ont fabriqué un détecteur photoconducteur, déposer une très fine couche de Bi 2 S 3 s'écaille sur un Si/SiO 2 substrat. Une fois construit, l'équipe a pu observer que le Bi 2 S 3 les flocons possédaient des lacunes ou des défauts de soufre dans le matériau (déficient en soufre), qui a créé des états in-gap étendus, permettant une absorption accrue de la lumière en dessous de la valeur de bande interdite de Bi 2 S 3 , c'est la sous-bande interdite. De telles caractéristiques ont conduit à un gain élevé, photodétecteur à faible bruit et haute sensibilité.

Pour comprendre le mécanisme de carence en soufre, ils ont construit un deuxième photodétecteur et synthétisé le Bi 2 S 3 cristal, en effectuant un processus de sulfuration (modification des pourcentages de concentration de Bi et S dans le cristal) et en remplissant ensuite les lacunes de soufre. Ils ont observé que le photodétecteur avait un temps de réponse beaucoup plus rapide, mais était limité à la gamme spectrale dans le proche infrarouge.

Ainsi, améliorer le temps de réponse sans sacrifier sa couverture spectrale dans l'infrarouge, ils ont effectué un traitement chimique doux sur le détecteur à base de soufre par le biais d'un processus de passivation de surface du cristal. Compléter le traitement, ils ont observé que le temps de réponse avait atteint une valeur d'environ 10ms pour le domaine de la lumière infrarouge et visible, 50 fois plus rapide que le détecteur original à base de soufre.

Les résultats de cette étude fournissent de nouvelles informations sur le rôle que jouent les lacunes atomiques dans la structure électronique et sur la façon dont les effets de photoréponse sous-bande interdite peuvent permettre des effets ultrasensibles, vite, et photodétecteurs à large bande.