北理工團隊在平面光伏型紅外光電探測方面取得突破性進展
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方法制備的塊體半導(dǎo)體材料，通過倒裝鍵合工藝實現(xiàn)與硅基讀出電路互聯(lián),，其價格高昂、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,、唐鑫教授團隊創(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制，實現(xiàn)了光導(dǎo)型向平面光伏型量子點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）碲化汞膠體量子點吸收光譜,。（c,、d）FET測量過程示意圖。（e）碲化汞膠體量子點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,。
團隊研究了不同離子對摻雜濃度的作用機制，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,，器件具有最強的內(nèi)建電場。與未進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單點探測器：（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)的膠體量子點紅外探測器成功地與CMOS ROIC單片集成,，實現(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，團隊還展示了平面光伏型膠體量子點成像芯片的高質(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)研究團隊開發(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制,，在光導(dǎo)型膠體量子點紅外探測器內(nèi)構(gòu)建了橫向p-n結(jié)，實現(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,。
附作者簡介：
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等頂級期刊,，申請專利6項（授權(quán)3項，實審3項）,，多次參加國內(nèi)外重要會議做口頭報告并多次獲得會議優(yōu)秀論文獎,。曾獲得中國儀器儀表學(xué)會一等獎學(xué)金、全國光電大學(xué)生設(shè)計競賽二等獎,、國家留學(xué)基金委獎學(xué)金,、國家公派留學(xué)資格、北京理工大學(xué)優(yōu)秀研究生等榮譽獎勵52項,，其中國家級8次,，省部級27次。以項目負(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)新能力提升專項計劃重點項目,，并以項目骨干承擔(dān)其他國家級省部級項目10余項,。
牟鴿，北京理工大學(xué)光電學(xué)院博士后,，長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),、物理及材料頂級期刊共18篇，論文總被引次數(shù)三百余次?，F(xiàn)主持中國博士后科學(xué)基金面上資助項目,，以技術(shù)骨干身份參與國家級重點項目5項。共申請專利6項,，其中以第二發(fā)明人已授權(quán)專利3項,。多次參加國內(nèi)外重要會議并做特邀口頭報告。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)生等榮譽稱號,。
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 Case Western Reserve University 講座教授,?？萍疾恐攸c領(lǐng)域創(chuàng)新團隊負(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“巾幗建功”標(biāo)兵。長期從事新型光電成像傳感技術(shù)和光電精密測試技術(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，新型光電探測與成像技術(shù),、仿生光電感測技術(shù)等方面,。發(fā)表SCI論文220余篇,，獲授權(quán)發(fā)明專利160余項,。
陳夢璐，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,。入選國家級高層次青年人才，北京市科技新星,、中國科協(xié)青年托舉工程等計劃,。本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，獲嚴(yán)濟慈榮譽學(xué)士,；博士畢業(yè)于美國芝加哥大學(xué)物理系,，長期從事低維紅外材料合成及物性優(yōu)化、紅外探測及成像應(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,。獲得國際先進材料協(xié)會科學(xué)獎（IAAM Scientist Medal）等獎項,。
唐鑫，北京理工大學(xué)光電學(xué)院,，教授/博士生導(dǎo)師,，入選中國科協(xié)青年人才托舉工程等。主持國家自然科學(xué)基金重點項目,、國家重點研發(fā)計劃專項等項目,。長期從事新型量子點紅外探測及成像技術(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),，先后實現(xiàn)了背景限探測中波紅外探測器,、短波/中波紅外雙色探測器、百萬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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