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Fig. 1 (un) Diagramme schématique des principaux processus physiques se produisant dans le diamant A sous photoexcitation. (b) Spectre d’absorption du diamant A. L’encadré montre un diagramme schématique du processus d’absorption et un spectre différentiel du coefficient d’absorption. (c) Spectre PL du diamant A sous excitation par impulsion de 193 nm. (d) et (e)) Distribution spatiale du taux de génération de porteurs excédentaires photoexcités g et des porteurs en régime permanent au sein de l’appareil. Les trois longueurs d’onde sélectionnées sont 210 nm, 225 nm et 228 nm. (F) EQE expérimental et EQE calculé simplifié du photodétecteur à base de diamant A avec les trois longueurs d’onde sélectionnées marquées. Ce modèle simplifié peut bien expliquer le déclin de l’EQE en ondes courtes.
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Crédit : OES
Une nouvelle publication de Science opto-électronique; EST CE QUE JE 10.29026/oes.2023.230010 présente comment les diamants de haute qualité permettent la photodétection ultraviolette profonde à bande étroite.
Par rapport aux détecteurs à large bande traditionnels, les détecteurs à bande étroite ont une demande plus importante pour des applications dans divers domaines de recherche industrielle et scientifique de pointe en raison de leurs capacités de résolution spectrale précise. En règle générale, il existe deux méthodes pour réaliser une détection à bande étroite à des longueurs d’onde spécifiques. La première méthode consiste à combiner un photodétecteur à large bande avec des filtres passe-bande, ce qui constitue une approche simple et efficace mais limitée par la disponibilité de filtres pour certaines bandes de longueurs d’onde. La deuxième méthode consiste à concevoir des structures semi-conductrices pour créer des photodétecteurs intrinsèques à bande étroite sans avoir recours à des filtres. Cette approche réduit la complexité du système de détection par rapport à la première méthode et garantit une bonne qualité de détection/imagerie, mais impose des exigences plus élevées en matière de conception des matériaux et des dispositifs.
Les photodétecteurs intrinsèques à bande étroite sans filtre gagnent en popularité dans divers domaines de recherche industrielle et scientifique, avec des applications réussies dans les domaines spectraux visible et infrarouge ces dernières années. Cependant, peu de rapports ont été publiés sur les photodétecteurs à bande étroite dans la gamme de longueurs d’onde de l’ultraviolet profond (DUV), très demandée dans des domaines tels que les communications optiques, la surveillance de l’environnement, la photolithographie et l’exploration spatiale. Le diamant, en tant que semi-conducteur à bande interdite ultra-large, possède des propriétés physiques et chimiques exceptionnelles, ce qui en fait un matériau idéal pour la photodétection dans l’ultraviolet profond. Bien que l’augmentation de l’épaisseur de l’échantillon soit une méthode courante pour réduire la collecte de charges dans d’autres matériaux, elle ne convient pas au diamant. La plupart des photodétecteurs basés sur du diamant monocristallin épais présentent des réponses à large bande en raison de la grande mobilité des porteurs dans le diamant et des effets de piégeage des porteurs. Par conséquent, un autre paramètre critique pour régler la réponse spectrale est la durée de vie de la porteuse, considérée comme essentielle pour réaliser une photodétection à bande étroite. Une analyse détaillée des propriétés optiques et électriques du diamant est cruciale pour réaliser une photomanipulation précise.
Les trois diamants monocristallins différents étudiés dans l’article sont nommés Diamant A, Diamant B et Diamant C, leurs densités de dislocation augmentant séquentiellement. Il est intéressant de noter que les dispositifs basés sur Diamond A, B et C présentent des formes nettement différentes dans leurs spectres d’efficacité quantique externe (EQE), avec des valeurs de pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de 8 nm, 31 nm et 52 nm, respectivement. Les dispositifs basés sur Diamond A, caractérisés par sa faible densité de dislocations, affichent une réponse à bande extrêmement étroite avec un pic centré à environ 228 nm. Ces appareils démontrent un courant d’obscurité exceptionnellement faible et une détectivité élevée (1013 Jones) et une large plage dynamique linéaire (LDR ~ 118 dB).
La figure 1 (a) illustre les processus physiques clés qui se produisent lors de la photodétection dans le diamant A, notamment l’excitation optique, la relaxation des porteurs, la recombinaison radiative et la photoconductivité sous un champ électrique. La figure 1 (b) montre le spectre d’absorption du diamant A, confirmant sa faible densité d’états défectueux. En analysant le spectre différentiel dans l’encadré, la bande interdite du diamant A est calculée à environ 5,486 eV (avec une énergie de liaison d’exciton d’environ 80 meV). La figure 1 (c) présente le spectre de photoluminescence (PL) du diamant A excité par une impulsion de 193 nm, dans lequel une émission exceptionnellement forte d’excitons libres est observée, indiquant que l’émission d’excitons est le principal processus de recombinaison sous excitation optique.
Le détecteur à bande étroite fabriqué peut être utilisé pour l’imagerie afin de distinguer différentes sources de lumière. La figure 2 (a) affiche une photographie optique d’une lampe excimer à 222 nm. La figure 2 (b) présente une imagerie claire de l’appareil avec une source de lumière (65 × 22 pixels). Le spectre d’émission de la lampe excimère et l’EQE du dispositif sont illustrés à la figure 2 (c), avec des régions qui se chevauchent. Il a été prouvé que l’irradiation à 222 nm est inoffensive pour le corps humain, ce qui la rend adaptée à la désinfection des surfaces et à la radiothérapie. Les recherches liées à la lampe au mercure à basse pression sont présentées à la figure 1 (de), y compris des photographies optiques et des images d’imagerie correspondantes. Les raies spectrales de cette lampe au mercure basse pression sont principalement constituées de 185 nm, 194 nm et 254 nm (Figure 2(f)), les deux premières générant de l’ozone dans l’air, ce qui présente un risque pour la santé, et la dernière provoquant dommages irréversibles à la peau et aux yeux humains. Il est couramment utilisé pour la désinfection germicide intérieure. En raison d’un léger chevauchement entre ces raies spectrales et l’EQE, la lampe au mercure ne peut pas être imagée. Ces résultats indiquent que le détecteur à bande étroite fabriqué peut efficacement distinguer les deux sources de lumière ultraviolette.
En résumé, le photodétecteur basé sur Diamond A présente la longueur d’onde de détection la plus courte et le pic EQE le plus étroit à ce jour. Ses applications potentielles ont été démontrées par imagerie préliminaire. À l’avenir, les performances pratiques de ce détecteur pourront être encore améliorées en fabriquant des dispositifs à réseau et en optimisant la structure du dispositif. D’un autre côté, la réponse à bande étroite du diamant A le distingue des autres diamants, ce qui indique que le test de réponse spectrale des diamants est une méthode réalisable pour discerner leur qualité.
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L’équipe du professeur Zheng Wei de l’Université Sun Yat-sen se consacre à la recherche dans le domaine de la détection de la lumière ultraviolette sous vide (VUV). L’équipe de recherche a créé la première plate-forme de test optoélectronique VUV (120-200 nm) nationale. En tirant parti de cette plateforme, ils mènent les recherches suivantes : 1. Analyse de la croissance et des tests de matériaux cristallins semi-conducteurs à large bande interdite, notamment le nitrure d’aluminium, le nitrure de bore, le diamant et l’oxyde de gallium. 2. Micro photodétecteurs VUV et caméras ultraviolettes extrêmes.
Le professeur Zheng Wei est professeur agrégé et titulaire d’un doctorat. superviseur à l’École de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université Sun Yat-sen. Il a obtenu son doctorat. en génie optique de l’Université de Shenzhen en juin 2014, puis a rejoint l’Université Sun Yat-sen en tant que chercheur postdoctoral en juillet de la même année. Il a été promu chercheur associé en août 2016 et professeur agrégé en novembre 2018. Il est membre du groupe d’experts du projet Clé du Plan 173 et a dirigé plusieurs projets à l’échelle nationale et provinciale, y compris ceux du Programme de recherche fondamentale de la Défense nationale. Programme (anciennement connu sous le nom de Programme national 973), Projet de jeunesse exceptionnelle de la province du Guangdong, Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et Fonds d’innovation en sciences et technologies aérospatiales. De plus, il a été activement impliqué en tant que membre principal dans divers projets nationaux clés et majeurs.
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Science opto-électronique (OES) est une revue à comité de lecture, en libre accès, interdisciplinaire et internationale publiée par l’Institut d’optique et d’électronique de l’Académie chinoise des sciences en tant que revue sœur de Avancées opto-électroniques (OEA, IF=9,682). OES se consacre à fournir une plate-forme professionnelle pour promouvoir les échanges universitaires et accélérer l’innovation. OES publie des articles, des critiques et des lettres sur les avancées fondamentales de la science fondamentale de l’optique et de l’optoélectronique.
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Jia LM, Cheng L, Zheng W. Photodétection à bande étroite de 8 nm dans les diamants. Sci opto-électronique 2, 230010 (2023). est ce que je: 10.29026/oes.2023.230010
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2023-10-19 05:00:39
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