北理工在紅外光電探測器暗電流抑制技術方面取得新進展
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，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量。
膠體量子點（CQD）作為一種新興的紅外探測材料，可以由化學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）的研發進度。目前北京理工大學郝群教授團隊已實現320×256、1K×1K百萬像素量子點紅外焦平面。然而，目前紅外膠體量子點暗電流噪聲較大的問題限制了成像儀的分辨率和靈敏度。
近日，北京理工大學研究團隊提出了量子點帶尾調控方法，通過量子點成核生長分離的再生長技術，成功得到了形貌可控（如圖1）、分散性好、半峰寬窄、帶尾態優的紅外量子點。
圖1 不同前驅體合成量子點形貌示意圖
研究人員基于三種膠體量子點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%。成像過程示意圖和成像結果如圖3所示。
圖3 成像過程示意圖以及形狀控制量子點640×512像素的焦平面成像結果圖
綜上所述，這項研究開發了量子點帶尾調控方法，通過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紅外光探測器發展中具有重要意義。
相關研究工作于2023年11月發表于中科院1區光學頂刊ACS Photonics。該論文的共同作者為郝群教授、博士生薛曉夢和羅宇寧，通訊作者為陳夢璐準聘教授和唐鑫教授。
來源：紅外芯聞