在近紅外（NIR）和短波紅外（SWIR）波段，傳統的硅基圖像傳感器靈敏度表現欠佳，而諸如深度測量和多光譜成像等新應用對在該波段高效傳感的圖像傳感器的需求極為迫切。膠體量子點（CQD）技術憑借其在激子峰處具有高量子效率且支持高分辨率成像的特性，成為應對這些新應用需求的極具潛力的候選方案。
據麥姆斯咨詢報道，近日，意法半導體（STMicroelectronics）與法國圖盧茲大學（University of Toulouse）組成的研究團隊提出了一種用于表征設計和制造膠體量子點光電二極管的電學行為的電學模型。借助該模型，研究人員探索一種收集空穴而非電子的新架構。這種架構可以借由電場實現對膠體量子點薄膜內部的電荷收集的精確控制。該特性不僅能夠實現全局快門功能，還可以對來自多個光電二極管的電荷合并（charge binning）操作，或者結合不同類型的像素電路交替驅動兩個物理交錯的光電二極管陣列。這些工作模式極大地擴展了膠體量子點圖像傳感器在各類應用中的潛力。這項研究成果以“Global Shutter and Charge Binning With Quantum Dots Photodiode Arrays for NIR Imaging”為題發表在IEEE Journal of the Electron Devices Society期刊上。
膠體量子點光電二極管中的光敏層由半導體納米晶體構成，在針對紅外應用時，膠體量子點光敏層主要由PbS、InAs、InSb或HgTe制成，并嵌入有機或無機配體基質。通過工程化的化學合成條件調控納米顆粒直徑，可以精確調節膠體量子點帶隙以及與第一1Sh-1Se躍遷對應的膠體量子點吸收峰，進而匹配紅外波段的特定波長。
圖1 膠體量子點薄膜的特性概述
圖2a展示了這項研究制備的收集電子的膠體量子點光電二極管，圖2b為其示意圖，圖2c展示了膠體量子點光電二極管的制造工藝流程。研究人員對該器件進行了全面表征以提取物理參數，并驗證了基于技術計算機輔助設計（TCAD）的器件模型。
圖2 膠體量子點光電二極管、結構及其制造工藝流程
接著，為實現能帶結構工程，研究人員探索了一種收集空穴的架構。該光電二極管的新架構如圖3a所示，其核心在于將光電二極管載流子傳輸層中的電子傳輸層（ETL）與空穴傳輸層（HTL）倒置。這種層倒置會帶來兩個工藝集成難題：（1）HTL/Cu與ETL/頂電極界面的存在取代了原有的HTL/頂電極與ETL/Cu電極；（2）膠體量子點薄膜上方的沉積層所需的熱預算問題。隨后，研究人員詳細探討了與膠體量子點薄膜或與ETL和HTL相關的各種物理參數對器件性能的影響。
圖3 光電二極管新架構及其底部電極電壓變化時的能帶圖
后續研究中，研究人員重點聚焦于展示將所有光生載流子導向特定偏置電極的可能性。圖4a展示了這種新型膠體量子點薄膜光電二極管設計，該設計將兩個具有不同分辨率和靈敏度的像素陣列交錯排列，并提供了同時工作和交替工作兩種工作模式。（1）在同時工作模式下，所有光電二極管都處于ON狀態（導通狀態），每個像素的光敏度與其底部電極靜電控制的相對體積緊密相關。如果所有電極在曝光期間的首次偏壓高于其穿透電壓（reach-through voltage），然后突然降低偏壓至低于其穿透電壓，便可同時阻斷所有底部電極，進而實現全局快門功能。（2）在交替工作（如圖4b）模式下，第一像素陣列（像素A）的所有底部電極收集全部電荷，而與第二像素陣列（像素B）相關的底部電極則處于阻斷狀態。
圖4 新型膠體量子點薄膜光電二極管工作原理示意圖
綜上所述，這項研究首先回顧了膠體量子點薄膜的物理特性，并介紹了使用TCAD軟件中的現有物理模型來模擬膠體量子點光電二極管的性能。接著，該研究提出了一種收集空穴而非電子的光電二極管架構。這種新架構通過將光電二極管載流子傳輸層ETL與HTL倒置來實現優化。隨后，該研究闡述了增強這些勢壘的方法，以便為光電二極管在反向模式下的工作構建OFF狀態（關斷狀態）。最后，該研究進行了模擬演示，證實了利用這種OFF狀態以及通過能帶工程獲得的底部電極空穴的靜電阻斷能力，既能通過同時關閉所有光電二極管來實現全局快門功能，還可交替操作具有不同分辨率或電路的兩個像素陣列。此外，該研究能夠通過僅在特定電極上收集電荷來實現像素合并（pixel binning），從而在降低分辨率的同時提高靈敏度。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/JEDS.2024.3489672
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