电场激活原位掺杂平面光伏型胶体量子点红外成像芯片

摘要：北京理工大学光电学院红外量子点团队联合中芯热成科技（北京）有限责任公司（简称：中芯热成）开发了一种可控的电场激活原位掺杂方法，在光导型胶体量子点红外探测器内构建了横向p-n结，解决了量子点红外焦平面阵列成像芯片难以在光伏模式下工作的难题，实现了高性能的640 × 512像素规模平面光伏型量子点短波红外成像芯片制备，助力半导体检测、食品安全及安防监控等领域应用。相关成果以“Mercury Telluride Colloidal Quantum-dot Focal Plane Array with Planar p-n Junctions Enabled by in-situ Electric Field-activated Doping”为题发表于Science Advances期刊。该论文的第一作者为北京理工大学博士生秦天令、博士后牟鸽。

红外成像技术在军事及民用领域均有广泛应用，现有的红外成像芯片主要采用外延生长方法制备的块体半导体材料，通过倒装键合工艺实现与硅基读出电路互联，其价格高昂、工艺复杂，严重制约了成像规模和分辨率的提升。胶体量子点材料可以通过溶液法实现大规模、低成本合成，并且无需铟柱沉积及键合即可实现与读出电路的直接耦合，为低成本、高性能成像芯片的研发提供了全新的思路。与光导型量子点红外探测器相比，光伏型探测器在内建电场的作用下能够显著降低器件噪声，提高探测灵敏度。然而，不可控、不均匀的掺杂方法使得目前量子点红外焦平面阵列仍主要以光导型模式工作。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学光电学院郝群教授、唐鑫教授团队创新提出了一种可控的电场激活原位掺杂方法，并研究了不同离子对掺杂浓度的作用机制，实现了光导型向平面光伏型量子点红外成像芯片的变革。通过改变电场极性和激活时间，掺杂极性空间可调，完成的像素规模为640 × 512、截止波段为2.5微米的短波红外成像芯片实现了具有平面p-n结的光伏型工作模式，与光导型工作模式相比，平面光伏型器件比探测率提高了一个数量级。

电场激活原位掺杂的平面光伏型胶体量子点红外成像芯片的工作原理如图1所示。通过离子溶液处理和恒定电场激活，器件的工作模式由光导型变成了光伏型。场效应晶体管（FET）测试可知，通过简单地改变电场激活时间和电场极性，量子点的掺杂极性可以得到很好的调控。正向电场激发n型掺杂，反向电场激发p型掺杂，使得器件恰好工作在反向偏压区间。通过电场激活原位掺杂过程，器件的电流-电压曲线表现了明显的整流特性，并且在零偏压下表现出了显著的光电流，证明了器件内部形成了强烈的内建电场。

图1 电场激活原位掺杂平面光伏型胶体量子点红外成像芯片工作原理：（a）工作原理示意图；（b）碲化汞胶体量子点吸收光谱；（c、d）FET测量过程示意图；（e）碲化汞胶体量子点的高分辨率透射电子显微镜图像和薄膜的FET曲线；（f）正向电场和（g）反向电场激活下碲化汞胶体量子点薄膜的FET曲线；（h）电场激活原位掺杂过程后的器件电流-电压曲线。

团队研究了不同离子对掺杂浓度的作用机制，如图2所示。研究发现，器件经过CdCl2溶液处理后与经过CuCl2、H2O、NaCl和FeCl3溶液处理相比表现出了最优的整流特性，其整流比是其他溶液处理后的十倍。随着电场激活时间的增加，器件在零偏压下的光电流逐渐增加达到峰值后降低。器件经过CdCl2溶液处理后的零偏压下的光电流是其他溶液处理后的四倍。此外，器件经过CdCl2溶液处理后零偏压下的光电流达到峰值所需要的电场激活时间最短。因此，器件经过CdCl2溶液处理，电场激活15分钟，器件具有最强的内建电场。与未进行电场激活掺杂的光导型器件相比，电场激活原位掺杂平面光伏型器件比探测率提高了一个数量级，超过10¹¹琼斯。此外，器件的响应速度从未进行电场激活掺杂的25毫秒提升到了184微秒。

图2 电场激活原位掺杂平面光伏型胶体量子点单点探测器：（a）性能表征过程示意图；（b）电场激活原位掺杂平面光伏型器件在背景和不同红外功率下的电流-电压曲线；（c）器件经过不同溶液处理后的整流比-电压曲线；（d）器件经过不同溶液处理后的零偏压下的光电流-电场激活时间曲线；（e）器件经过电场激活原位掺杂前后的比探测率-电压曲线；（f）器件经过电场激活原位掺杂前后的响应速度；（g）器件光谱响应测量示意图；（h）器件的光谱响应曲线。

具有横向p-n结的胶体量子点红外探测器成功地与CMOS读出电路（ROIC）单片集成，实现了像素规模为640 × 512、像元间距为15微米的平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的制备，如图3所示。薄膜的均方根（RMS）粗糙度仅为5纳米，证明了量子点薄膜沉积的均匀性。截止波长为2.5微米的平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片具有优异的性能，与光导型成像芯片相比，死像元和过热像元数显著减少，器件噪声减少了一个数量级。

图3 平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片：（a）红外成像芯片电极的光学显微图像；平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的（b）原子力显微镜图像和（c）直方图；（d）平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的响应度直方图；电场激活原位掺杂前后的成像芯片的（e、f）过热像元和死像元及（g）噪声直方图；平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的（h）比探测率直方图和（i）平均比探测率-电场激活时间曲线。

最后，该研究团队还展示了平面光伏型胶体量子点成像芯片的高质量短波红外成像效果，如图4所示。如在可见光下难以观察到的硅片、化学成分等，通过短波红外成像芯片得以清晰展示，证明了其在半导体检测、食品检测、化学分析等方面的应用，展示了广泛的应用潜力。

图4 （a）短波红外成像系统示意图；可见光和短波红外成像图：（b）曼妥思糖盒和糖盒前面的硅片、（c）表面有“BITQTL”字样的苹果和丁腈手套内的苹果、（d）盐、盐和糖的混合物及糖。

综上所述，北京理工大学研究团队开发了一种可控的电场激活原位掺杂方法，研究了不同离子对掺杂浓度的作用机制，在光导型胶体量子点红外探测器内构建了横向p-n结，实现了相比于未电场激活掺杂前性能显著提高的平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的制备，展示了在半导体检测、食品检测、化学分析等方面的应用潜力。该研究工作得到了中芯热成在焦平面探测器制备和焦平面成像系统测试方面的大力支持。中芯热成是国内首家专注于红外量子材料成像芯片领域的高科技企业，专注于新型红外量子材料器件制备及封装技术，围绕低维量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波红外成像芯片解决方案，突破传统半导体倒装键合工艺，开展低成本硅基读出电路片（ROIC）上集成式红外芯片的封装与测试业务。目前已完成320 × 256、640 × 512、1280 × 1024像素阵列规模短波红外、中波红外等焦平面阵列研发工作，并具备批量生产能力。

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