膠體量子點（CQDs）憑借帶隙連續可調、溶液可加工、成本低廉等優勢，在短波紅外（SWIR）探測領域備受關注。然而，窄帶隙量子點器件面臨暗電流過大的核心瓶頸：耗盡區的產生-復合（G-R）電流與界面隧穿電流隨帶隙縮小急劇增大，嚴重限制探測率與響應速度。傳統器件依賴光伏型二極管結構，強內建電場雖能提升載流子抽取效率，但同時加劇熱產生與隧穿泄漏，導致噪聲與響應速度難以兼顧。如何在保持高效載流子抽取的同時，精準抑制泄漏通路，成為突破高性能量子點短波紅外紅外探測器的關鍵。
據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國成均館大學的研究團隊提出內建電場調控新策略：以n型InAs為吸收層，寬禁帶p型InAs為空穴傳輸層（HTL），通過Cl-2PACz配體調控p層摻雜濃度，重構電場分布，實現G-R電流與隧穿電流的協同抑制。器件在1500 nm波段實現暗電流密度9.7×10?? mA/cm2、響應時間24 ns、比探測率5×1011 Jones的綜合性能，達到無鉛短波紅外探測器頂尖水平，并成功拓展至倒置結構，為單片集成焦平面陣列提供通用方案。相關研究成果以“Internal field tailoring enables low noise high speed colloidal quantum dot photodetectors beyond 1500?nm”為題發表在Nature Communications期刊上。
材料設計與電場調控機制
圖1 不同摻雜濃度InAs量子點的制備與能帶表征
器件采用n-InAs吸收層/p-InAs傳輸層異質結二極管結構，反向偏壓下暗電流主要來自兩條通路：（1）耗盡區載流子熱產生-復合（G-R）電流；（2）傳輸層/電極界面場助隧穿電流。傳統重摻雜p型（HDP）器件因高摻雜形成強界面電場，雖提升抽取效率，但顯著放大隧穿與G-R電流。輕摻雜p型（LDP）器件通過降低p層摻雜，平滑界面電場、展寬耗盡區、降低峰值場強，在不犧牲載流子抽取效率的前提下，實現暗電流數量級抑制。圖2展示了該器件的電流?電壓特性，圖3展示了該器件的光譜響應與瞬態響應。
圖2 器件的電流?電壓特性
圖3 光譜響應與瞬態響應
優化LDP結構（o-LDP）與綜合性能
研究人員進一步設計了優化LDP結構（o?LDP），即在輕摻雜LDP層與頂部電極之間插入一層高摻雜HDP層（如圖4a能帶圖）。該結構旨在不犧牲暗電流抑制的前提下，改善空穴提取效率。圖4展示了該優化器件的綜合性能。
圖4 器件電場優化及綜合性能
倒置結構器件與通用性驗證
為適配硅基讀出電路（ROIC）單片集成，研究人員將電場調控策略拓展至倒置結構：ITO/NiOx/HDP-LDP雙空穴傳輸層/n-InAs吸收層/PCBM-BCP/Ag。其優化機制為：LDP層抑制界面隧穿與G-R電流，實現與正置結構一致的噪聲抑制，相關結果如圖5所示。實驗結果證明了內建電場調控是適用于正置/倒置、無鉛/鉛基量子點的通用策略，為大規模焦平面陣列奠定基礎。
圖5 倒置器件架構中的應用拓展
https://doi.org/10.1038/s41467-026-71335-w
