Des applications telles que le LIDAR, l'imagerie 3D pour les appareils mobiles, l'automobile et la réalité augmentée/virtuelle ou la vision nocturne pour la surveillance, s'appuient sur le développement de photodétecteurs infrarouges à ondes courtes (SWIR). Ces appareils sont capables de voir dans la région du spectre invisible à nos yeux puisqu'ils fonctionnent dans la fenêtre spectrale de 1-2 µm.
L'industrie des capteurs de lumière SWIR est dominée depuis des années par la technologie épitaxiale, principalement basée sur des dispositifs en arséniure d'indium et de gallium (InGaAs). Cependant, plusieurs facteurs tels que les coûts de production élevés, la fabricabilité à faible échelle et l'incompatibilité avec le CMOS ont limité la technologie épitaxiale aux marchés de niche et militaires.
En revanche, le potentiel des photodétecteurs SWIR constitués de points quantiques colloïdaux (CQD), des matériaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, a suscité un intérêt considérable ces dernières années en raison de leurs caractéristiques attrayantes, telles que leur faible coût et leur compatibilité avec l'architecture CMOS, entre autres.
Alors que les CQD émergent comme une technologie concurrente pour les dispositifs basés sur InGaAs, il est important de clarifier que les photodétecteurs SWIR actuels basés sur les CQD utilisent des composants tels que les chalcogénures de plomb (Pb) et de mercure (Hg). Ces deux éléments sont soumis à la directive européenne sur la restriction des substances dangereuses (RoHS), qui réglemente leur utilisation dans les applications commerciales grand public.
En raison de ce cadre réglementaire, il existe un besoin pressant de développer des capteurs de lumière SWIR basés sur des CQD respectueux de l'environnement et sans métaux lourds.
Les CQD à l'antimonide d'indium (InSb) ont un grand potentiel pour fournir des dispositifs hautes performances et stables. De plus, ils sont conformes à la directive RoHS et ont accès à toute la gamme SWIR grâce à la faible bande interdite de l'InSb en vrac. Cependant, sa synthèse s'est avérée jusqu'à présent difficile en raison de la nature la plus fortement covalente de l'InSb et du manque de précurseurs hautement réactifs. De plus, des études antérieures ont rapporté que les CQD InSb sont instables lors d'une exposition à l'air en raison de la forte propension du Sb à s'oxyder.
Dans une étude publiée dans ACS Nano , chercheurs de l'ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, dirigés par le professeur ICREA de l'ICFO, Gerasimos Konstantatos, en collaboration avec Pengfei Cao, du Erns Ruska Center for Microscopy and Spectroscopy with Electrons, décrivent une nouvelle méthode de synthèse CQD InSb sans arsenic avec accès à la gamme SWIR.
Leur approche comprend la conception d'une structure cœur-coquille InSb/InP des points quantiques synthétisés qui sont utilisés pour fabriquer un photodétecteur SWIR à réponse rapide et hautement sensible.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont développé un nouveau processus de synthèse pour produire des points quantiques InSb accordables à large spectre de haute qualité avec une uniformité de taille en utilisant des précurseurs chimiques disponibles dans le commerce, surmontant ainsi certains des obstacles rencontrés par les stratégies précédentes, y compris un processus de synthèse difficile. et une densité élevée de défauts de surface.
Dans leur étude, les chercheurs ont adopté « l’approche d’une source unique », utilisant un processus d’injection continue de précurseur, au lieu d’une option d’injection à chaud. Cette stratégie a été essentielle pour obtenir un InSb CQD avec une distribution de taille bien contrôlée et une absorption distincte sur une très large plage du spectre (900 nm à 1 750 nm).
En utilisant une plage de températures de réaction allant de 220 ºC à 250 ºC, ils ont pu contrôler la position des points dans le film mince traité en solution résultant. "L'accordabilité spectrale qui en résulte, du proche infrarouge à l'infrarouge à ondes courtes, soit de 900 nm à 1 750 nm, est la plus importante rapportée à ce jour pour l'InSb CQD", déclarent les chercheurs.
Ils ont observé les échantillons CQD traités avec la technique de microscopie électronique à transmission (TEM) et ont confirmé que les points avaient une taille moyenne de 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm et 7,0 nm, ce qui permettait l'absorption de différentes longueurs d'onde.
Les chercheurs ont également caractérisé la surface des CQD InSb, car elle est connue pour être cruciale pour les propriétés optoélectroniques du matériau CQD. Ils ont utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X pour étudier les états d'oxydation du Sb associés aux liaisons pendantes de Sb non passivées de la surface et ont pu confirmer la formation d'oxyde de Sb sur la surface non protégée.
L'étape suivante de leur enquête consistait à développer une stratégie de passivation pour couvrir les CQD InSb obtenus, créant une coque pour protéger les QCD de l'oxydation. La surface des QCD InSb a été traitée avec du trichlorure d'indium (InCl3 ). Cela a protégé les liaisons pendantes de surface du Sb en réduisant les défauts et en améliorant en même temps la stabilité colloïdale des CQD dans les étapes suivantes du processus de purification.
Par la suite, les chercheurs ont développé une coque de protection en phosphure d’indium (InP) de fine épaisseur sur l’InSb CQD purifié. Ils ont utilisé l'oléate d'indium et la phosphine silylamide comme précurseurs pour générer la coque. Cela a provoqué un décalage vers le rouge significatif sur le spectre d’absorption des CQD InSb. La structure cœur-coquille InSb/InP a été confirmée ultérieurement par l'analyse des spectres de photoluminescence.
"La structure cœur-coquille InSb/InP signifie la croissance d'un autre matériau (dans ce cas, InP) sur la surface du matériau vierge (dans ce cas, InSb). Par rapport à InSb, InP est un matériau à bande interdite plus large qui peut suffisamment passiver le "Les pièges de surface d'InSb qui sont préjudiciables dans les dispositifs optoélectroniques. En outre, l'élément Sb est très sensible à l'oxygène, de sorte que la structure noyau-coquille peut grandement améliorer la stabilité à l'air du matériau", explique Lucheng Peng, chercheur à l'ICFO et premier auteur de l'étude. étudier.
Fabriquer des photodétecteurs plus rapides et plus sensibles
Une fois cette première étape franchie, les chercheurs ont utilisé les CQD core-shell InSb/InP optimisés pour fabriquer un photodétecteur SWIR basse température et haute vitesse. Le dispositif capteur de lumière était formé de plusieurs couches empilées :une base d'oxyde d'indium et d'étain (ITO), une couche de transfert d'électrons (ETL) constituée de dioxyde de titane (TiO2 ), la fine couche contenant les CQD InSb/InP et une couche supérieure finale en or.
Ils voulaient obtenir un photodétecteur avec une réponse temporelle rapide à utiliser dans des applications allant au-delà des fréquences d'images vidéo, ils ont donc utilisé TiO2 comme ETL en raison de sa stabilité photochimique.
La réponse du capteur de lumière fabriqué a ensuite été mesurée. Comme l'écrivent les auteurs, le photodétecteur "démontre des caractéristiques remarquables, notamment une large plage dynamique linéaire dépassant 128 dB, une efficacité quantique externe (EQE) maximale de 25 % à 1 240 nm (et 12 % à 1 420 nm), un temps de photoréponse rapide de 70 ns. , et une détectivité spécifique allant jusqu'à 4,4 × 10 11 Jones."
Comme les chercheurs ont pu le vérifier, l’appareil s’est avéré très résistant aux conditions atmosphériques sans aucune encapsulation. Après deux mois d'exposition au milieu ambiant, le photodétecteur a conservé ses propriétés. Après 90 heures, la stabilité de l'appareil a également été vérifiée lorsqu'il fonctionnait à l'air libre, et il s'est avéré extrêmement stable.
"Il s'agit du meilleur photodétecteur CQD SWIR basé sur InSb à ce jour, en termes de performances et de stabilité, avec des chiffres de mérite qui peuvent permettre des capteurs de lumière à fréquence d'images élevée pour les applications de vision industrielle, d'imagerie fermée et de détection 3D", déclare ICREA Prof. à ICFO Gerasimos Konstantatos.
"La présente étude montre non seulement l'énorme potentiel des CQD InSb en tant que matériau actif exempt de métaux lourds à utiliser dans les photodétecteurs SWIR, mais elle ouvre également la porte à de futurs développements dans l'InSb colloïdal utilisant des méthodes chimiques humides pour la fabrication de matériaux de haute qualité. performants sur les appareils électroniques ou optoélectroniques", conclut Konstantatos.
L’équipe travaille actuellement sur la manière de réduire davantage le courant d’obscurité et d’augmenter l’efficacité quantique des photocapteurs basés sur les CQD. Pour ce faire, ils doivent principalement se concentrer sur l’amélioration de la mobilité des porteurs dans les films minces contenant les CQD.
Atteindre cet objectif leur permettra d'obtenir une vitesse de réponse plus rapide pour le capteur de lumière, dans le but d'aller au-delà de la vitesse de réponse de 10 ns afin que la technologie puisse être utilisée en i-ToF (temps de vol indirect), ce qui est utile dans LIDAR et imagerie 3D.
Plus d'informations : Lucheng Peng et al, Points quantiques colloïdaux InSb/InP Core–Shell pour photodétecteurs infrarouges sensibles et rapides à ondes courtes, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.3c12007
Informations sur le journal : ACS Nano
Fourni par ICFO
