【光電智造】北京理工大學(xué)在短波紅外成像方面取得進(jìn)展

----與智者為伍 為創(chuàng)新賦能----

紅外成像技術(shù)有廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的紅外成像芯片主要采用外延生長(zhǎng)方法制備的塊體半導(dǎo)體材料，通過(guò)倒裝鍵合工藝實(shí)現(xiàn)與硅基讀出電路互聯(lián)，其價(jià)格高昂、工藝復(fù)雜，嚴(yán)重制約了成像規(guī)模和分辨率的提升。膠體量子點(diǎn)材料可以通過(guò)溶液法大規(guī)模低成本合成，并且無(wú)需銦柱沉積及鍵合綁定實(shí)現(xiàn)與讀出電路的直接耦合，為低成本、高性能成像芯片的研發(fā)提供了全新的思路。與光導(dǎo)型量子點(diǎn)紅外探測(cè)器相比，光伏型探測(cè)器在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下能夠顯著降低器件噪聲，提高探測(cè)靈敏度。然而，不可控、不均勻的摻雜方法使得目前量子點(diǎn)紅外焦平面陣列仍主要以光導(dǎo)型模式工作。

近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授、唐鑫教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了一種可控的電場(chǎng)激活原位摻雜方法，并研究了不同離子對(duì)摻雜濃度的作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了光導(dǎo)型向平面光伏型量子點(diǎn)紅外成像芯片的變革。通過(guò)改變電場(chǎng)極性和激活時(shí)間，摻雜極性空間可調(diào)，完成的像素規(guī)模為640×512、截止波段為2.5微米的短波紅外成像芯片實(shí)現(xiàn)了具有平面p-n結(jié)的光伏型工作模式，與光導(dǎo)型工作模式相比，平面光伏型器件比探測(cè)率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

電場(chǎng)激活原位摻雜的平面光伏型膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片的工作原理如圖1所示。通過(guò)離子溶液處理和恒定電場(chǎng)激活，器件的工作模式由光導(dǎo)型變成了光伏型。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）測(cè)試可知，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電場(chǎng)激活時(shí)間和電場(chǎng)極性，量子點(diǎn)的摻雜極性可以得到很好的調(diào)控。正向電場(chǎng)激發(fā)n型摻雜，反向電場(chǎng)激發(fā)p型摻雜，使得器件恰好工作在反向偏壓區(qū)間。通過(guò)電場(chǎng)激活原位摻雜過(guò)程，器件的電流-電壓曲線表現(xiàn)了明顯的整流特性，并且在零偏壓下表現(xiàn)出了顯著的光電流，證明了器件內(nèi)部形成了強(qiáng)烈的內(nèi)建電場(chǎng)。

圖2.電場(chǎng)激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點(diǎn)單點(diǎn)探測(cè)器：（a）性能表征過(guò)程示意圖。（b）電場(chǎng)激活原位摻雜平面光伏型器件在背景和不同紅外功率下的電流-電壓曲線。（c）器件經(jīng)過(guò)不同溶液處理后的整流比-電壓曲線。（d）器件經(jīng)過(guò)不同溶液處理后的零偏壓下的光電流-電場(chǎng)激活時(shí)間曲線。（e）器件經(jīng)過(guò)電場(chǎng)激活原位摻雜前后的比探測(cè)率-電壓曲線。（f）器件經(jīng)過(guò)電場(chǎng)激活原位摻雜前后的響應(yīng)速度。（g）器件光譜響應(yīng)測(cè)量示意圖。（h）器件的光譜響應(yīng)曲線。

圖3.平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片：（a）紅外成像芯片電極的光學(xué)顯微圖像。平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的（b）原子力顯微鏡圖像和（c）直方圖。（d）平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的響應(yīng)度直方圖。電場(chǎng)激活原位摻雜前后的成像芯片的（e、f）過(guò)熱像元和死像元及（g）噪聲直方圖。平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的（h）比探測(cè)率直方圖和（i）平均比探測(cè)率-電場(chǎng)激活時(shí)間曲線。

圖4.短波紅外成像：（a）成像過(guò)程示意圖。（b）曼妥思糖盒和糖盒前面的硅片、（c）表面有 “BITQTL”字樣的蘋果和丁腈手套內(nèi)的蘋果、（d）鹽、鹽和糖的混合物及糖的可見光和短波紅外成像圖。

?

----與智者為伍?為創(chuàng)新賦能----

投稿丨合作丨咨詢

聯(lián)系郵箱：uestcwxd@126.com

QQ：493826566