中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，蓬勃發(fā)展的光電產(chǎn)業(yè)改變了世界，并延伸到生活諸多方面。其中，具有深紫外-可見(jiàn)-近紅外全光譜探測響應光電探測器（PD）作為重要的光電元件，在日常生活中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。通常，商業(yè)化的全光譜光電探測器主要基于傳統的半導體材料，例如：可見(jiàn)-近紅外選擇硅（Si）基光電探測器、可見(jiàn)-短波紅外采用銦鎵砷（InGaAs）基光電探測器。然而，上述光電探測器需要復雜的蒸鍍制備工藝，且器件運行暗電流及噪聲信號相對較大，使得探測性能有待進(jìn)一步提高。與此同時(shí)，由于傳統半導體材料具有較高的光反射系數和較淺的紫外光穿透深度，因此制備得到的光電探測器難以實(shí)現對紫外光高靈敏度探測。目前，最為成熟的實(shí)現深紫外-可見(jiàn)-紅外全光譜光電探測器制備方法主要基于紫外光電探測器與可見(jiàn)-紅外光電探測器兩者高度集成，然而受限于系統體積、成本及不同類(lèi)型光電探測器響應能力的差異等問(wèn)題，阻礙了商業(yè)化的進(jìn)一步應用。因此，探索和開(kāi)發(fā)深紫外-可見(jiàn)-紅外高探測靈敏度全光譜光電探測器成為當前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
通過(guò)構建異質(zhì)結策略，利用不同波長(cháng)響應材料協(xié)同作用，拓寬探測范圍，抑制器件暗電流，提高探測靈敏度的研究已被廣泛報道。但是，上述研究主要以拓寬光電探測器紅外響應為目的，對于構筑異質(zhì)結后兩者界面處相互作用、電荷輸運關(guān)系、器件機械性能及穩定性、異質(zhì)結層厚度對器件性能的影響等方面缺乏理論及系統的深入探究。此外，利用熒光轉換材料吸收深紫外-紫外光后，發(fā)射出與光電探測器響應波長(cháng)一致的可見(jiàn)或紅外光子，進(jìn)而增強器件紫外探測性能的策略備受關(guān)注。
近日，大連民族大學(xué)徐文教授和董斌教授團隊通過(guò)構建CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQD）與PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結，高效CsPbCI?:Cr3?，Ce3?，Yb3?，Er3?鈣鈦礦量子點(diǎn)（紫外光轉換近紅外光）量子剪裁聚光器（如圖1），實(shí)現深紫外到近紅外II區的全光譜（200-1700 nm）高響應靈敏度，優(yōu)異穩定性的寬帶光電探測器。相關(guān)研究成果以“Highly DUV to NIR-II responsive broadband quantum dots heterojunction photodetectors by integrating quantum cutting luminescent concentrators”為題發(fā)表在國際期刊Light: Science & Applications上。
圖1 深紫外到近紅外II區的寬帶光電探測器
為了在光電探測器中獲得高性能和寬帶響應，研究人員進(jìn)行了一系列光學(xué)和電氣實(shí)驗。首先，為了提高鈣鈦礦量子點(diǎn)的性能，選擇鑭系元素離子 （Ho3?） 作為摻雜劑，摻入通過(guò)改進(jìn)的熱注射法制備的CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)，相關(guān)測試結果如圖2所示。接著(zhù)，研究人員通過(guò)與PbS量子點(diǎn)結合對 CsPbI?：Ho3?鈣鈦礦量子點(diǎn)異質(zhì)結進(jìn)行了光學(xué)和電學(xué)分析，相關(guān)結果如圖3所示。隨后，研究人員通過(guò)密度泛函理論（DFT）計算了CsPbI?：Ho3?鈣鈦礦量子點(diǎn)和PbS量子點(diǎn)之間的結構和光物理相互作用，相關(guān)結果如圖4所示。
圖2 Ho3?摻雜的CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)
圖3 CsPbI?：Ho3?-PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結的光電特性
圖4 CsPbI?：Ho3?- PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結的DFT計算
最后，研究人員對該深紫外-可見(jiàn)-近紅外II區全光譜寬帶響應光電探測器的性能進(jìn)行檢測，并基于其出色的探測性能，進(jìn)一步探索了該寬帶光電探測器的成像應用，相關(guān)結果如圖5所示。
圖5 光電探測器的性能及應用
綜上所述，為了實(shí)現高效、穩定的深紫外-可見(jiàn)-近紅外II區全光譜寬帶響應光電探測器，這項研究主要通過(guò)以下三方面進(jìn)行研究：1、通過(guò)稀土鈥離子（Ho3?）摻雜CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)來(lái)提高可見(jiàn)光區域響應性能和器件穩定性（400-700 nm）；2、通過(guò)具有近紅外吸收PbS量子點(diǎn)與可見(jiàn)光層復合實(shí)現可見(jiàn)-近紅外II區波長(cháng)響應（400-1700 nm）；3、通過(guò)稀土離子（Ce3?，Yb3?，Er3?）摻雜CsPbCI?:Cr3?鈣鈦礦量子點(diǎn)，實(shí)現高效的近紅外（900-1700 nm）量子剪裁發(fā)射，其熒光量子效率為179%。進(jìn)一步將其構建為熒光聚光器（LC）應用于器件外層，實(shí)現高性能的紫外波長(cháng)響應 （200-400 nm）。最終，制備得到光電探測器實(shí)現了200-1700 nm全光譜響應，同時(shí)其整體器件探測性能超過(guò)1012 Jones，且具有較好的運行穩定性。
