關(guān)于用于短波紅外光電探測的III-V族膠體量子點光電二極管

膠體半導(dǎo)體納米晶體或量子點（QDs）是一種新興的光電材料，它將基于溶液的處理適用性與廣泛可調(diào)諧的吸收和發(fā)射特性相結(jié)合。基于膠體量子點的短波紅外（SWIR）圖像傳感器具有成本低、像素間距小、光譜可調(diào)諧性等諸多特點。

然而，由于對鉛（Pb）和汞（Hg）等有害元素的限制，量子點短波紅外（QD-SWIR）圖像傳感器的應(yīng)用受到了阻礙。這些限制刺激了科研領(lǐng)域?qū)Νh(huán)保的膠體量子點的研究，其中如InAs和InSb等III-V族量子點，目前被認(rèn)為是與短波紅外應(yīng)用最相關(guān)的量子點材料。III-V族半導(dǎo)體廣泛用于光電子學(xué)，也用于短波紅外應(yīng)用，特別是膠體InAs量子點方面，其主要合成工藝在過去五年中取得了重大進(jìn)展。

In(As, P)量子點場效應(yīng)晶體管示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，比利時根特大學(xué)（Ghent University）的Zeger Hens等研究者將關(guān)于用于短波紅外光電探測的III-V族膠體量子點光電二極管（QDPD）的研究成果發(fā)表于Advanced Science期刊。該研究第一作者為比利時根特大學(xué)的Jari Leemans。

該項目重點研究了量子點圖像傳感器的核心元件——量子點光電二極管，它由工作波長高達(dá)1400nm的非受限In(As,P)量子點制成。該研究中采用了三種不同In(As,P)量子點制備批次，制備時采用可擴(kuò)展、同粒度同批次的反應(yīng)，并在1140nm、1270nm和1400nm波長處具有帶邊吸收。隨后，對這些量子點進(jìn)行后處理，以獲得短鏈配體穩(wěn)定的In(As,P)納米膠體，由此通過旋轉(zhuǎn)涂布形成n- In(As,P)半導(dǎo)體薄膜。這三種量子點均將這些薄膜夾在空穴傳輸層p-NiO與電子傳輸層Nb:TiO2之間，最終得到In(As,P)量子點光電二極管。該量子點光電二極管的內(nèi)部量子效率在46±5%量子點帶隙處表現(xiàn)最佳，并對波長高達(dá)1400nm的短波紅外光敏感。

In(As,P)量子點光電二極管能級圖及其堆棧

該研究結(jié)果證明了基于In(As,P)量子點的短波紅外光電二極管的成功構(gòu)建。這些量子點光電二極管（QDPD）是在二甲基甲酰胺中使用量子點分散體所制備，其中利用短鏈催化劑取代了原始的長鏈有機(jī)配體。在觀察到In(As,P)量子點薄膜表現(xiàn)出n型摻雜時，研究者引入了基于氧化銦錫（ITO）上n-In(As,P)量子點與p-NiO間異質(zhì)結(jié)的量子點光電二極管堆棧，并使用與鋁接觸的Nb:TiO2納米顆粒薄膜作為電子傳輸層。無論在1140nm、1270nm以及1400nm波長的量子點帶邊躍遷如何變化，在黑暗中這些堆棧均顯示出整流電流-電壓性能，反向偏置電位與預(yù)期堆棧設(shè)計一致，并表現(xiàn)出在照明條件下與光強(qiáng)近似成比例增加的光電流。對于所有器件而言，外部量子效率跟隨量子點吸收光譜變化，從而使薄膜光敏度達(dá)到甚至超過1400nm。雖然這些基于非限制性In(As,P)量子點的短波紅外量子點光電二極管堆棧獲得了高達(dá)46%的內(nèi)部量子效率，但是通過增強(qiáng)電荷載流子提取和改善量子點光電二極管堆棧內(nèi)的能帶對準(zhǔn)，還有進(jìn)一步改善的空間。

這項研究獲得了比利時根特大學(xué)研究基金（GOA 01G01019）的支持，論文鏈接為：https://doi.org/10.1002/advs.202200844。

審核編輯 ：李倩