InAs Coloidal Dot Photodiode Stack para imágenes infrarrojas integradas con CMOS

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Tecnología de puntos cuánticos
• Fotodetectores de infrarrojos

Sus antecedentes:

• Los puntos cuánticos coloidales de semiconductores III-V libres de metales pesados (CQD), como InAs, son prometedores para la detección infrarroja de ondas cercanas y cortas.
• La investigación actual está limitada a <1100 nm debido a los desafíos de síntesis, formación de uniones y pasivación con InAs CQD más grandes.
• Los estudios sistemáticos sobre el diseño del dispositivo, los mecanismos de corriente oscura y las distribuciones de trampas en CQD de InAs más grandes son escasos.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y caracterizar un nuevo fotodiodo coloidal de heterojunción PIN de película delgada para la detección de infrarrojos extendida (1200 nm).
• Para investigar los mecanismos de corriente oscura y las distribuciones de estado de trampa en CQD de InAs más grandes.
• Demostrar el potencial de las imágenes infrarrojas utilizando tecnología de fotodiodos integrados.

Principales métodos:

• Fabricación de un fotodiodo de heterounión PIN de película delgada utilizando InAs coloidales (1200 nm) con capas amorfas de óxido de gallio, zinc y yoduro de cobre.
• Caracterización del rendimiento del dispositivo, incluidas las mediciones de tensión-corriente (I-V) dependientes de la temperatura y la espectroscopia de impedancia.
• Análisis de los mecanismos de corriente oscura, las distribuciones del estado de la trampa y la detectividad específica (D*).
• Integración monolítica del fotodiodo con un circuito integrado de lectura de Si para la demostración de imágenes.

Principales resultados:

• Alcanzó una de las densidades de corriente oscura más bajas reportadas para InAs CQDs (4.7 μA/cm2 a -1 V, 298 K), disminuyendo a 3.6 nA/cm2 a 220 K.
• Identificación de los estados de trampa profunda dominantes dentro de la capa CQD de InAs (∼0,4 eV por debajo del borde de la banda) mediante espectroscopia de impedancia.
• Detectividad específica demostrada (D*) que se acerca a la línea de base limitada por ruido de disparo (2,5 × 1011 Jones) a frecuencias ≥ 500 Hz.
• Se ha demostrado con éxito la obtención de imágenes infrarrojas más allá del rango espectral de los sensores CMOS mediante integración monolítica.

Conclusiones:

• El fotodiodo InAs CQD desarrollado ofrece un rendimiento superior para la detección infrarroja de hasta 1200 nm con una corriente oscura excepcionalmente baja.
• Comprender las distribuciones de estado de la trampa es crucial para optimizar el rendimiento del fotodiodo y mitigar el ruido.
• Esta tecnología es muy prometedora para aplicaciones avanzadas de imágenes infrarrojas, superando las limitaciones actuales de CMOS.