中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
紅外光電探測器廣泛應用于氣體傳感、氣象遙感以及航天探測等領(lǐng)域。然而目前，傳統的紅外探測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(cháng)，以及倒裝鍵和等復雜工藝與讀出電路耦合。雖然探測性能高，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材料，可以由化學(xué)熱注射法大規模合成，“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)郝群教授團隊已實(shí)現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)研究團隊提出了量子點(diǎn)帶尾調控方法，通過(guò)量子點(diǎn)成核生長(cháng)分離的再生長(cháng)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探測器，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率達到4×1011 Jones，響應時(shí)間為0.94 μs（如圖2）。
圖2 光電導探測器結構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比
在此基礎上，研究人員將HgTe膠體量子點(diǎn)與互補金屬氧化物半導體 （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99.997%。成像過(guò)程示意圖和成像結果如圖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果圖
綜上所述，這項研究開(kāi)發(fā)了量子點(diǎn)帶尾調控方法，通過(guò)單像素光電探測器及紅外焦平面驗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)璐準聘教授和唐鑫教授。
