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北京理工大學(xué)在平面光伏型紅外光電探測方面取得進(jìn)展 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(tuán)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(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。 |
