Multicolor Emission in Indium-Doped Amorphous Boron Nitride Integrated on Silicon for Self-Biased and High-Speed Photodetection

材料科学 光电子学 兴奋剂 光探测 无定形固体 氮化硼 光电探测器 紫外线 非晶硅 纳米技术 晶体硅 有机化学 化学
作者
Qiuguo Li,Shi‐Jie Xiong,Kaijian Huang,Weiping Gong,Long Wen,Qin Chen,Baojun Li,Xianguang Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (6): 9655-9668 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.4c17814
摘要

Boron nitride (BN), as an emergent wide-bandgap material, is gaining considerable attention as a solid-state deep ultraviolet source and quantum emitter from the ultraviolet to the near-infrared spectral ranges. However, studies of the defect structure of BN and efforts at scalable BN emitters in photonic devices are limited. Controlling the BN doping is of particular interest in view of the light emission of defects. Here, it is demonstrated for the first time that doping amorphous BN (a-BN) with indium (In) shows luminescence spectra tuning from blue to red light, and only 765 nm (1.63 eV) light is dominant when more In content is introduced. The visible light emission is found to be the transition between the defect center of In N (a substitutional In of nitrogen) and O N V B (a substitutional oxygen with an adjacent boron vacancy). While O N V B is identified experimentally in accordance with previous theoretical assumptions, and is optically accessible with a zero-phonon line (ZPL) of about 1.63 eV with increasing In proportion. Moreover, the heterogeneous integration of synthesized In-doped a-BN in silicon platforms is demonstrated by the realization of a 700–1000 nm broadband photodetector. These devices operate self-biased at room temperature and show a high photoresponsivity of ∼1.5 A/W (at 980 nm with −2 V bias), a quick response time of ∼90 μs, and a detectivity of 1.02 × 10 9 cm·Hz 1/2 /W. This work fundamentally contributes to establishing infrared detection by doping a-BN materials in heterojunctions with Si, at the forefront of infrared optoelectronics.
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