平面光伏型膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片的工作原理

紅外成像技術(shù)有廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的紅外成像芯片主要采用外延生長方法制備的塊體半導(dǎo)體材料，通過倒裝鍵合工藝實(shí)現(xiàn)與硅基讀出電路互聯(lián)，其價(jià)格高昂、工藝復(fù)雜，嚴(yán)重制約了成像規(guī)模和分辨率的提升。膠體量子點(diǎn)材料可以通過溶液法大規(guī)模低成本合成，并且無需銦柱沉積及鍵合綁定實(shí)現(xiàn)與讀出電路的直接耦合，為低成本、高性能成像芯片的研發(fā)提供了全新的思路。與光導(dǎo)型量子點(diǎn)紅外探測器相比，光伏型探測器在內(nèi)建電場的作用下能夠顯著降低器件噪聲，提高探測靈敏度。然而，不可控、不均勻的摻雜方法使得目前量子點(diǎn)紅外焦平面陣列仍主要以光導(dǎo)型模式工作。

近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授、唐鑫教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了一種可控的電場激活原位摻雜方法，并研究了不同離子對摻雜濃度的作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了光導(dǎo)型向平面光伏型量子點(diǎn)紅外成像芯片的變革。通過改變電場極性和激活時間，摻雜極性空間可調(diào)，完成的像素規(guī)模為640×512、截止波段為2.5微米的短波紅外成像芯片實(shí)現(xiàn)了具有平面p-n結(jié)的光伏型工作模式，與光導(dǎo)型工作模式相比，平面光伏型器件比探測率提高了一個數(shù)量級。

電場激活原位摻雜的平面光伏型膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片的工作原理如圖1所示。通過離子溶液處理和恒定電場激活，器件的工作模式由光導(dǎo)型變成了光伏型。場效應(yīng)晶體管（FET）測試可知，通過簡單地改變電場激活時間和電場極性，量子點(diǎn)的摻雜極性可以得到很好的調(diào)控。正向電場激發(fā)n型摻雜，反向電場激發(fā)p型摻雜，使得器件恰好工作在反向偏壓區(qū)間。通過電場激活原位摻雜過程，器件的電流-電壓曲線表現(xiàn)了明顯的整流特性，并且在零偏壓下表現(xiàn)出了顯著的光電流，證明了器件內(nèi)部形成了強(qiáng)烈的內(nèi)建電場。

圖1.電場激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片工作原理：（a）工作原理示意圖。（b）碲化汞膠體量子點(diǎn)吸收光譜。（c、d）FET測量過程示意圖。（e）碲化汞膠體量子點(diǎn)的高分辨率透射電子顯微鏡圖像和薄膜的FET曲線。（f）正向電場和（g）反向電場激活下碲化汞膠體量子點(diǎn)薄膜的FET曲線。（h）電場激活原位摻雜過程后的器件電流-電壓曲線。 團(tuán)隊(duì)研究了不同離子對摻雜濃度的作用機(jī)制，如圖2所示。

研究發(fā)現(xiàn)，器件經(jīng)過CdCl2溶液處理后與經(jīng)過CuCl2、H2O、NaCl和FeCl3溶液處理相比表現(xiàn)出了最優(yōu)的整流特性，其整流比是其他溶液處理后的十倍。隨著電場激活時間的增加，器件在零偏壓下的光電流逐漸增加達(dá)到峰值后降低。器件經(jīng)過CdCl2溶液處理后的零偏壓下的光電流是其他溶液處理后的四倍。此外，器件經(jīng)過CdCl2溶液處理后零偏壓下的光電流達(dá)到峰值所需要的電場激活時間最短。因此，器件經(jīng)過CdCl2溶液處理，電場激活15分鐘，器件具有最強(qiáng)的內(nèi)建電場。與未進(jìn)行電場激活摻雜的光導(dǎo)型器件相比，電場激活原位摻雜平面光伏型器件比探測率提高了一個數(shù)量級，超過1011Jones。此外，器件的響應(yīng)速度從未電場激活摻雜的25毫秒提升到了184微秒。

圖2.電場激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點(diǎn)單點(diǎn)探測器：（a）性能表征過程示意圖。（b）電場激活原位摻雜平面光伏型器件在背景和不同紅外功率下的電流-電壓曲線。（c）器件經(jīng)過不同溶液處理后的整流比-電壓曲線。（d）器件經(jīng)過不同溶液處理后的零偏壓下的光電流-電場激活時間曲線。（e）器件經(jīng)過電場激活原位摻雜前后的比探測率-電壓曲線。（f）器件經(jīng)過電場激活原位摻雜前后的響應(yīng)速度。（g）器件光譜響應(yīng)測量示意圖。（h）器件的光譜響應(yīng)曲線。

具有橫向p-n結(jié)的膠體量子點(diǎn)紅外探測器成功地與CMOS ROIC單片集成，實(shí)現(xiàn)了像素規(guī)模為640×512、像元間距為15微米的平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的制備，如圖3所示。薄膜的均方根（RMS）粗糙度僅為5納米，證明了量子點(diǎn)薄膜沉積的均勻性。截止波長為2.5微米的平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片具有優(yōu)異的性能，與光導(dǎo)型成像芯片相比，死像元和過熱像元數(shù)顯著減少，器件噪聲減少了一個數(shù)量級。

圖3.平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片：（a）紅外成像芯片電極的光學(xué)顯微圖像。平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的（b）原子力顯微鏡圖像和（c）直方圖。（d）平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的響應(yīng)度直方圖。電場激活原位摻雜前后的成像芯片的（e、f）過熱像元和死像元及（g）噪聲直方圖。平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的（h）比探測率直方圖和（i）平均比探測率-電場激活時間曲線。 最后，團(tuán)隊(duì)還展示了平面光伏型膠體量子點(diǎn)成像芯片的高質(zhì)量短波紅外成像效果，如圖4所示。如在可見光下難以觀察到的硅片、化學(xué)成分等，通過短波紅外成像芯片得以清晰展示，證明了其在半導(dǎo)體檢測、食品檢測、化學(xué)分析等方面的應(yīng)用，展示了廣泛的應(yīng)用潛力。

圖4.短波紅外成像：（a）成像過程示意圖。（b）曼妥思糖盒和糖盒前面的硅片、（c）表面有 “BITQTL”字樣的蘋果和丁腈手套內(nèi)的蘋果、（d）鹽、鹽和糖的混合物及糖的可見光和短波紅外成像圖。

綜上所述，北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可控的電場激活原位摻雜方法，研究了不同離子對摻雜濃度的作用機(jī)制，在光導(dǎo)型膠體量子點(diǎn)紅外探測器內(nèi)構(gòu)建了橫向p-n結(jié)，實(shí)現(xiàn)了相比于未電場激活摻雜前性能顯著提高的平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片制備，展示了在半導(dǎo)體檢測、食品檢測、化學(xué)分析等方面的應(yīng)用潛力。該工作得到了中芯熱成在焦平面探測器制備和焦平面成像系統(tǒng)測試方面的大力支持。

編輯：黃飛

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