Els punts quàntics no tòxics obren el camí cap als sensors CMOS infrarojos d'ona curta per a l'electrònica de consum

Encara que és invisible per als nostres ulls, la llum infraroja d'ona curta (SWIR per les seves sigles en anglès) pot permetre la viabilitat, funcionalitat i rendiment sense precedents de les aplicacions de visió per computador per als mercats dels serveis robòtics, de l'automòbil, i de l'electrònica de consum. Els sensors d'imatge sensibles a l'espectre SWIR poden operar sota condicions adverses com ara la llum del sol brillant, la boira, la boira i el fum. A més, el rang del SWIR proporciona fonts d'il·luminació segura per a l'ull humà i obre la porta a la detecció de les propietats dels materials a través de la imatge molecular.

La tecnologia basada en els punts quàntics col·loidals (CQD per les seves sigles en anglès), ofereix una via tecnològica prometedora per al desenvolupament de sensors d'imatge SWIR. Els CQD, cristalls semiconductors de mida nanomètrica, són una plataforma de solució processada que pot ser integrada amb la tecnologia CMOS i permetre l'accés a l'espectre SWIR. Tot i això, encara hi ha un obstacle per a traslladar l'ús dels punts quàntics sensibles al SWIR a una tecnologia vàlida per a aplicacions orientades al mercat. Els CQD contenen metalls pesants, com ara el plom o el mercuri (semiconductors de calcogenurs IV-VI Pb, Hg). Aquests materials estan subjectes a la Directiva Europea de Restricció de Substàncies Perilloses (RoHS), una normativa que regula el seu ús en aplicacions comercials de productes electrònics de consum.

En un nou estudi publicat en la revista Nature Photonics, els investigadors del 'ICFO Yongjie Wang, Lucheng Peng i Aditya Malla, liderats pel professor ICREA a l'ICFO Gerasimos Konstantatos, en col·laboració amb els investigadors Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black i Stijn Goosens, de Qurv, una spinoff de l’ICFO, han desenvolupat uns fotodetectors infrarojos d'altes prestacions i un sensor d'imatge de llum infraroja d'ona curta (SWIR) que opera a temperatura ambient basats en l'ús dels punts quàntics col·loïdals no tòxics. El treball publicat descriu un nou mètode per a poder sintetitzar aquests punts quàntics lliures de fosfina i de grandària modulable que preserven les propietats dels punts que si contenen metalls pesants. D'aquesta manera, s'obre el camí a la introducció de la tecnologia basada en els punts quàntics amb capacitat d’operar en el SWIR als mercats de gran volum.

Mentre investigaven com sintetitzar nanocristalls de tel·lurur de bismut i plata (AgBiTe₂) per a augmentar la cobertura espectral de l'arsenur de bismut i sofre (AsBiS₂) per a millorar el comportament dels dispositius fotovoltaics, els investigadors van obtenir un subproducte: el tel·lurur de plata (Ag₂Te). Aquest material va mostrar una absorció de confinament quàntic fort i modulable, molt similar a la dels punts quàntics. Els investigadors es van adonar del seu potencial per a desenvolupar fotodetectors i sensors d'imatge SWIR. Van centrar aleshores els seus esforços a obtenir un nou mètode per a sintetitzar una versió sense fosfina de punts quàntics de Ag₂Te, ja que s'ha vist que la fosfina té un impacte negatiu sobre les propietats optolectróniques dels punts quàntics rellevant per a la capacitat de fotodetecció.

Per al nou mètode de síntesi, l'equip d'investigadors va utilitzar com a precursors del tel·luri diferents compostos lliures de fosfina. Van obtenir així punts quàntics amb una bona distribució de grandària i amb uns pics d'excitació al llarg d'un rang molt ampli de l'espectre. Després de sintetitzar-los i caracteritzar-los, els punts quàntics van mostrar un rendiment notable, amb pics d’excitació distintius per sobre dels 1500 nm, un assoliment sense precedents en comparació amb tècniques anteriors per a la síntesi de punts quàntics basades en la utilització de la fosfina.

Els investigadors van decidir implementar aquests nous punts quàntics per a construir un fotodectector (fotodíode) a escala de laboratori sobre un substrat de vidre amb una fina capa de ITO (òxid d'indi i estany) per poder caracteritzar els dispositius desenvolupats i mesurar-ne les seves propietats. “Aquests dispositius de laboratori s'operen mitjançant llum que incideix des de la part inferior. Per contra, per als CMOS amb piles de CQD integrades la llum prové de la part superior, en situar-se la part electrònica del CMOS a la zona inferior”, comenta Yongjie Wang, investigador post-doctoral i primer autor de l'estudi. “Així que el primer repte que vam haver de superar va ser revertir la configuració de l'entrada de llum del fotosensor, un fet que en teoria sembla simple però que va resultar ser una tasca complexa”.

Inicialment, el fotodíode va mostrar un rendiment baix de detecció de la llum SWIR. Això va obligar els investigadors a dur a terme un re-disseny  amb la incorporació d'una capa intermèdia (buffer) en el cor del dispositiu. Aquest ajust va millorar de forma significativa el rendiment del fotodetector. El fotodíode SWIR resultant presentava un rang espectral que anava dels 350nm als 1600nm, un rang dinàmic linear que excedia els 118dB, una amplada de banda de -3dB sobrepassant els 110khz i una capacitat de detecció a temperatura ambient de l'ordre dels 1012 Jones.

“Fins on nosaltres sabem, els fotodíodes que descrivim en aquest treball representen per primera vegada una solució processada i no tòxica de fotodíodes SWIR que exhibeixen uns números meritoris similars a les versions desenvolupades amb punts quàntics que si que contenen metalls pesants”, explica Gerasimos Konstantatos, professor ICREA de l’ICFO i coautor de l'estudi. “Aquests resultats mostren que els punts quàntics de Ag₂Te que hem sintetitzat són un material prometedor que compleix amb la directiva RoHS per a desenvolupar aplicacions de foto detecció de llum SWIR d'alt rendiment i baix cost”.

Amb el desenvolupament exitós d'aquest fotodetector basat en punts quàntics lliures de metalls pesants, els investigadors van decidir fer un pas més. Van iniciar una col·laboració amb l'empresa Qurv, una spin-off del ICFO, per a demostrar el potencial d’aquests punts quàntics i es van embarcar en la construcció d’una prova de concepte d'un sensor d'imatge SWIR. L'equip va integrar el fotodíode construït amb un CMOS basat en un circuit integrat de lectura digital (ROIC) i un conjunt de pla focal (FPA) construint per primera vegada un sensor d'imatge SWIR a partir de punts quàntics no tòxics capaços d'operar a temperatura ambient. Els autors del treball van provar la capacitat del sensor d'imatge d'operar en l'espectre SWIR prenent diferents imatges. En concret, van ser capaços de, per exemple, obtenir imatges del contingut d'una ampolla de plàstic que era opaca sota la llum visible.

“Accedir al SWIR amb una tecnologia de baix cost alliberarà el potencial d'aquest rang de l'espectre per a nombroses aplicacions per a l'electrònica de consum, incloent-hi sistemes de visió millorada per a la indústria de l'automòbil que permetin la conducció sota condicions climatològiques severes”, explica Gerasimos Konstantatos. “La banda del SWIR entre les 1.35 µm i les 1.40 µm proporciona una finestra de seguretat als nostres ulls, lliure de llum de fons en condicions diürnes i nocturnes, permetent la detecció i llum de llarg abast (LiDAR), imatges tridimensionals per a aplicacions en el sector de l'automòbil , de la realitat augmentada i realitat virtual.”

Ara els investigadors volen augmentar el rendiment dels fotodíodes mitjançant l’enginyeria de la pila de capes que componen el dispositiu fotodetector. També volen explorar noves solucions químiques per a la superfície dels punts quàntics Ag₂Te desenvolupats per a millorar-ne el rendiment i l'estabilitat tèrmica i ambiental del material en el seu camí cap al mercat.