中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
紅外光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于氣體傳感、氣象遙感以及航天探測(cè)等領(lǐng)域。然而目前，傳統(tǒng)的紅外探測(cè)材料主要基于碲化銦、銦鎵砷、碲鎘汞等，需要分子束外延方法生長(zhǎng)，以及倒裝鍵和等復(fù)雜工藝與讀出電路耦合。雖然探測(cè)性能高，但是卻受限于成本與產(chǎn)量。
膠體量子點(diǎn)（CQD）作為一種新興的紅外探測(cè)材料，可以由化學(xué)熱注射法大規(guī)模合成，“墨水式”液相加工可以與硅讀出電路直接耦合，大大加快紅外焦平面陣列（FPA）的研發(fā)進(jìn)度。目前北京理工大學(xué)郝群教授團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)320×256、1K×1K百萬(wàn)像素量子點(diǎn)紅外焦平面。然而，目前紅外膠體量子點(diǎn)暗電流噪聲較大的問(wèn)題限制了成像儀的分辨率和靈敏度。
近日，北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了量子點(diǎn)帶尾調(diào)控方法，通過(guò)量子點(diǎn)成核生長(zhǎng)分離的再生長(zhǎng)技術(shù)，成功得到了形貌可控（如圖1）、分散性好、半峰寬窄、帶尾態(tài)優(yōu)的紅外量子點(diǎn)。
圖1 不同前驅(qū)體合成量子點(diǎn)形貌示意圖
研究人員基于三種膠體量子點(diǎn)制備了單像素光電導(dǎo)探測(cè)器，大幅度降低器件的暗電流和噪聲30倍以上，室溫下2.5 μm延展短波波段比探測(cè)率達(dá)到4×1011 Jones，響應(yīng)時(shí)間為0.94 μs（如圖2）。
圖2 光電導(dǎo)探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖以及形狀控制量子點(diǎn)與兩組參考樣品的器件性能對(duì)比
在此基礎(chǔ)上，研究人員將HgTe膠體量子點(diǎn)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 讀出集成電路 （ROIC） 相集成，制備了640×512像素的焦平面陣列成像芯片，有效像元率高達(dá)99.997%。成像過(guò)程示意圖和成像結(jié)果如圖3所示。
圖3 成像過(guò)程示意圖以及形狀控制量子點(diǎn)640×512像素的焦平面成像結(jié)果圖
綜上所述，這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了量子點(diǎn)帶尾調(diào)控方法，通過(guò)單像素光電探測(cè)器及紅外焦平面驗(yàn)證了該方法在暗電流和噪聲抑制上的可靠性，在高性能膠體量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器發(fā)展中具有重要意義。
相關(guān)研究工作于2023年11月發(fā)表于中科院1區(qū)光學(xué)頂刊ACS Photonics。該論文的共同第一作者為郝群教授、博士生薛曉夢(mèng)和羅宇寧，通訊作者為陳夢(mèng)璐準(zhǔn)聘教授和唐鑫教授。
