北理工團(tuán)隊(duì)在平面光伏型紅外光電探測(cè)方面取得突破性進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-08-03
編輯：盛筠 審核：黃勇 閱讀次數(shù)：
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(zhǎng)方法制備的塊體半導(dǎo)體材料，通過(guò)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(guò)溶液法大規(guī)模低成本合成,，并且無(wú)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(cè)器相比，光伏型探測(cè)器在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下能夠顯著降低器件噪聲,，提高探測(cè)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(chǎng)激活原位摻雜方法,，并研究了不同離子對(duì)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(guò)改變電場(chǎng)極性和激活時(shí)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(cè)率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
電場(chǎng)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(guò)離子溶液處理和恒定電場(chǎng)激活,，器件的工作模式由光導(dǎo)型變成了光伏型。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）測(cè)試可知,，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電場(chǎng)激活時(shí)間和電場(chǎng)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(chǎng)激發(fā)n型摻雜,，反向電場(chǎng)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(guò)電場(chǎng)激活原位摻雜過(guò)程,，器件的電流-電壓曲線(xiàn)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(chǎng),。
圖1 電場(chǎng)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(cè)量過(guò)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(xiàn)。（f）正向電場(chǎng)和（g）反向電場(chǎng)激活下碲化汞膠體量子點(diǎn)薄膜的FET曲線(xiàn),。（h）電場(chǎng)激活原位摻雜過(guò)程后的器件電流-電壓曲線(xiàn),。
團(tuán)隊(duì)研究了不同離子對(duì)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(guò)CdCl2溶液處理后與經(jīng)過(guò)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(chǎng)激活時(shí)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(guò)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(guò)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(chǎng)激活時(shí)間最短,。因此,，器件經(jīng)過(guò)CdCl2溶液處理，電場(chǎng)激活15分鐘,，器件具有最強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。與未進(jìn)行電場(chǎng)激活摻雜的光導(dǎo)型器件相比,，電場(chǎng)激活原位摻雜平面光伏型器件比探測(cè)率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),，超過(guò)1011Jones。此外,，器件的響應(yīng)速度從未電場(chǎng)激活摻雜的25毫秒提升到了184微秒,。
圖2 電場(chǎng)激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點(diǎn)單點(diǎn)探測(cè)器：（a）性能表征過(guò)程示意圖。（b）電場(chǎng)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(xiàn),。（c）器件經(jīng)過(guò)不同溶液處理后的整流比-電壓曲線(xiàn),。（d）器件經(jīng)過(guò)不同溶液處理后的零偏壓下的光電流-電場(chǎng)激活時(shí)間曲線(xiàn)。（e）器件經(jīng)過(guò)電場(chǎng)激活原位摻雜前后的比探測(cè)率-電壓曲線(xiàn),。（f）器件經(jīng)過(guò)電場(chǎng)激活原位摻雜前后的響應(yīng)速度,。（g）器件光譜響應(yīng)測(cè)量示意圖。（h）器件的光譜響應(yīng)曲線(xiàn),。
具有橫向p-n結(jié)的膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)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(zhǎng)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(guò)熱像元數(shù)顯著減少,，器件噪聲減少了一個(gè)數(shù)量級(jí),。
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(chǎng)激活原位摻雜前后的成像芯片的（e、f）過(guò)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(cè)率直方圖和（i）平均比探測(cè)率-電場(chǎng)激活時(shí)間曲線(xiàn),。
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(jiàn)光下難以觀察到的硅片、化學(xué)成分等,，通過(guò)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(cè),、食品檢測(cè)、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(guò)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(píng)果和丁腈手套內(nèi)的蘋(píng)果,、（d）鹽、鹽和糖的混合物及糖的可見(jiàn)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(kāi)發(fā)了一種可控的電場(chǎng)激活原位摻雜方法，研究了不同離子對(duì)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(cè)器內(nèi)構(gòu)建了橫向p-n結(jié),，實(shí)現(xiàn)了相比于未電場(chǎng)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(cè),、食品檢測(cè),、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(cè)器制備和焦平面成像系統(tǒng)測(cè)試方面的大力支持,。
附作者簡(jiǎn)介：
秦天令,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院在讀博士研究生，從事高性能新型光電探測(cè)器的研究,。發(fā)表論文9篇（SCI和EI收錄論文7篇）,，其中第一作者論文發(fā)表在Science Advances、ASC Photonics,、Journal of Materials Chemistry C等頂級(jí)期刊,，申請(qǐng)專(zhuān)利6項(xiàng)（授權(quán)3項(xiàng)，實(shí)審3項(xiàng)）,，多次參加國(guó)內(nèi)外重要會(huì)議做口頭報(bào)告并多次獲得會(huì)議優(yōu)秀論文獎(jiǎng),。曾獲得中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)一等獎(jiǎng)學(xué)金、全國(guó)光電大學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng),、國(guó)家留學(xué)基金委獎(jiǎng)學(xué)金,、國(guó)家公派留學(xué)資格、北京理工大學(xué)優(yōu)秀研究生等榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)52項(xiàng),，其中國(guó)家級(jí)8次,，省部級(jí)27次。以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持北京理工大學(xué)2022年度研究生科研水平和創(chuàng)新能力提升專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目,，并以項(xiàng)目骨干承擔(dān)其他國(guó)家級(jí)省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng),。
牟鴿，北京理工大學(xué)光電學(xué)院博士后,，長(zhǎng)期從事新型材料及光電器件研究工作,。近五年共發(fā)表SCI論文24篇,，其中以第一作者或通訊作者發(fā)表于Science Advances、Advanced Functional Materials,、ACS Applied Materials & Interfaces,、Small、Photonics Research等光學(xué),、物理及材料頂級(jí)期刊共18篇,，論文總被引次數(shù)三百余次。現(xiàn)主持中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目,，以技術(shù)骨干身份參與國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目5項(xiàng)。共申請(qǐng)專(zhuān)利6項(xiàng),，其中以第二發(fā)明人已授權(quán)專(zhuān)利3項(xiàng),。多次參加國(guó)內(nèi)外重要會(huì)議并做特邀口頭報(bào)告。曾獲得北京市普通高等學(xué)校優(yōu)秀畢業(yè)生,，北京理工大學(xué)2021夏季優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào),。
郝群，北京理工大學(xué)教授,、博士生導(dǎo)師,、特聘教授。1998年獲清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,；2003年獲北京理工大學(xué)破格提升為教授,；2004年被聘為北京理工大學(xué)博士生導(dǎo)師；1999~2001年兼任日本東京大學(xué)客座研究員,；2011年兼任美國(guó) Case Western Reserve University 講座教授,。科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,、教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才,、北京市教學(xué)名師、全國(guó)“巾幗建功”標(biāo)兵,。長(zhǎng)期從事新型光電成像傳感技術(shù)和光電精密測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作,，主要研究方向包括新型低維材料、紅外光電材料,，新型光電探測(cè)與成像技術(shù),、仿生光電感測(cè)技術(shù)等方面。發(fā)表SCI論文220余篇,，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利160余項(xiàng),。
陳夢(mèng)璐，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,。入選國(guó)家級(jí)高層次青年人才,，北京市科技新星、中國(guó)科協(xié)青年托舉工程等計(jì)劃,。本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院,，獲嚴(yán)濟(jì)慈榮譽(yù)學(xué)士；博士畢業(yè)于美國(guó)芝加哥大學(xué)物理系,，長(zhǎng)期從事低維紅外材料合成及物性?xún)?yōu)化,、紅外探測(cè)及成像應(yīng)用等相關(guān)研究，以第一或通訊作者論文發(fā)表SCI論文30余篇,，包括Nature Materials, Light：Science & Applications,，ACS Nano等頂刊。獲得國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì)科學(xué)獎(jiǎng)（IAAM Scientist Medal）等獎(jiǎng)項(xiàng),。
唐鑫,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院，教授/博士生導(dǎo)師,，入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等,。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目,。長(zhǎng)期從事新型量子點(diǎn)紅外探測(cè)及成像技術(shù)研究工作,，為低成本高性能多色紅外焦平面陣列的研發(fā)提供了技術(shù)及理論基礎(chǔ)，先后實(shí)現(xiàn)了背景限探測(cè)中波紅外探測(cè)器,、短波/中波紅外雙色探測(cè)器,、百萬(wàn)像素短波紅外焦平面陣列、紫外-紅外雙色焦平面陣列等研究工作,。第一作者或通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇,，包括Nature Photonics、Science Advances,、Advanced Materials,、ACS Nano、Laser&Photonics Reviews,、ACS Photonics等,。
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