关于用于短波红外光电探测的III-V族胶体量子点光电二极管

胶体半导体纳米晶体或量子点（QDs）是一种新兴的光电材料，它将基于溶液的处理适用性与广泛可调谐的吸收和发射特性相结合。基于胶体量子点的短波红外（SWIR）图像传感器具有成本低、像素间距小、光谱可调谐性等诸多特点。

然而，由于对铅（Pb）和汞（Hg）等有害元素的限制，量子点短波红外（QD-SWIR）图像传感器的应用受到了阻碍。这些限制刺激了科研领域对环保的胶体量子点的研究，其中如InAs和InSb等III-V族量子点，目前被认为是与短波红外应用最相关的量子点材料。III-V族半导体广泛用于光电子学，也用于短波红外应用，特别是胶体InAs量子点方面，其主要合成工艺在过去五年中取得了重大进展。
 

In(As, P)量子点场效应晶体管示意图

据麦姆斯咨询报道，近日，比利时根特大学（Ghent University）的Zeger Hens等研究者将关于用于短波红外光电探测的III-V族胶体量子点光电二极管（QDPD）的研究成果发表于Advanced Science期刊。该研究第一作者为比利时根特大学的Jari Leemans。

该项目重点研究了量子点图像传感器的核心元件——量子点光电二极管，它由工作波长高达1400nm的非受限In(As,P)量子点制成。该研究中采用了三种不同In(As,P)量子点制备批次，制备时采用可扩展、同粒度同批次的反应，并在1140nm、1270nm和1400nm波长处具有带边吸收。随后，对这些量子点进行后处理，以获得短链配体稳定的In(As,P)纳米胶体，由此通过旋转涂布形成n- In(As,P)半导体薄膜。这三种量子点均将这些薄膜夹在空穴传输层p-NiO与电子传输层Nb:TiO2之间，最终得到In(As,P)量子点光电二极管。该量子点光电二极管的内部量子效率在46±5%量子点带隙处表现最佳，并对波长高达1400nm的短波红外光敏感。
 

In(As,P)量子点光电二极管能级图及其堆栈

该研究结果证明了基于In(As,P)量子点的短波红外光电二极管的成功构建。这些量子点光电二极管（QDPD）是在二甲基甲酰胺中使用量子点分散体所制备，其中利用短链催化剂取代了原始的长链有机配体。在观察到In(As,P)量子点薄膜表现出n型掺杂时，研究者引入了基于氧化铟锡（ITO）上n-In(As,P)量子点与p-NiO间异质结的量子点光电二极管堆栈，并使用与铝接触的Nb:TiO2纳米颗粒薄膜作为电子传输层。无论在1140nm、1270nm以及1400nm波长的量子点带边跃迁如何变化，在黑暗中这些堆栈均显示出整流电流-电压性能，反向偏置电位与预期堆栈设计一致，并表现出在照明条件下与光强近似成比例增加的光电流。对于所有器件而言，外部量子效率跟随量子点吸收光谱变化，从而使薄膜光敏度达到甚至超过1400nm。虽然这些基于非限制性In(As,P)量子点的短波红外量子点光电二极管堆栈获得了高达46%的内部量子效率，但是通过增强电荷载流子提取和改善量子点光电二极管堆栈内的能带对准，还有进一步改善的空间。

这项研究获得了比利时根特大学研究基金（GOA 01G01019）的支持，论文链接为：https://doi.org/10.1002/advs.202200844。

 

审核编辑 ：李倩