摘要：北京理工大學(xué)光電學(xué)院紅外量子點(diǎn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中芯熱成科技（北京）有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱：中芯熱成）開發(fā)了一種可控的電場(chǎng)激活原位摻雜方法，在光導(dǎo)型膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器內(nèi)構(gòu)建了橫向p-n結(jié)，解決了量子點(diǎn)紅外焦平面陣列成像芯片難以在光伏模式下工作的難題，實(shí)現(xiàn)了高性能的640 × 512像素規(guī)模平面光伏型量子點(diǎn)短波紅外成像芯片制備，助力半導(dǎo)體檢測(cè)、食品安全及安防監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用。相關(guān)成果以“Mercury Telluride Colloidal Quantum-dot Focal Plane Array with Planar p-n Junctions Enabled by in-situ Electric Field-activated Doping”為題發(fā)表于Science Advances期刊。該論文的第一作者為北京理工大學(xué)博士生秦天令、博士后牟鴿。

紅外成像技術(shù)在軍事及民用領(lǐng)域均有廣泛應(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)材料可以通過溶液法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本合成，并且無需銦柱沉積及鍵合即可實(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。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，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。通過電場(chǎng)激活原位摻雜過程，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1 電場(chǎng)激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片工作原理：（a）工作原理示意圖；（b）碲化汞膠體量子點(diǎn)吸收光譜；（c、d）FET測(cè)量過程示意圖；（e）碲化汞膠體量子點(diǎn)的高分辨率透射電子顯微鏡圖像和薄膜的FET曲線；（f）正向電場(chǎng)和（g）反向電場(chǎng)激活下碲化汞膠體量子點(diǎn)薄膜的FET曲線；（h）電場(chǎng)激活原位摻雜過程后的器件電流-電壓曲線。

團(tuán)隊(duì)研究了不同離子對(duì)摻雜濃度的作用機(jī)制，如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，器件經(jīng)過CdCl2溶液處理后與經(jīng)過CuCl2、H2O、NaCl和FeCl3溶液處理相比表現(xiàn)出了最優(yōu)的整流特性，其整流比是其他溶液處理后的十倍。隨著電場(chǎng)激活時(shí)間的增加，器件在零偏壓下的光電流逐漸增加達(dá)到峰值后降低。器件經(jīng)過CdCl2溶液處理后的零偏壓下的光電流是其他溶液處理后的四倍。此外，器件經(jīng)過CdCl2溶液處理后零偏壓下的光電流達(dá)到峰值所需要的電場(chǎng)激活時(shí)間最短。因此，器件經(jīng)過CdCl2溶液處理，電場(chǎng)激活15分鐘，器件具有最強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。與未進(jìn)行電場(chǎng)激活摻雜的光導(dǎo)型器件相比，電場(chǎng)激活原位摻雜平面光伏型器件比探測(cè)率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，超過1011瓊斯。此外，器件的響應(yīng)速度從未進(jìn)行電場(chǎng)激活摻雜的25毫秒提升到了184微秒。

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)過不同溶液處理后的整流比-電壓曲線；（d）器件經(jīng)過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。

具有橫向p-n結(jié)的膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器成功地與CMOS讀出電路（ROIC）單片集成，實(shí)現(xiàn)了像素規(guī)模為640 × 512、像元間距為15微米的平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的制備，如圖3所示。薄膜的均方根（RMS）粗糙度僅為5納米，證明了量子點(diǎn)薄膜沉積的均勻性。截止波長(zhǎng)為2.5微米的平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片具有優(yōu)異的性能，與光導(dǎo)型成像芯片相比，死像元和過熱像元數(shù)顯著減少，器件噪聲減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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。

最后，該研究團(tuán)隊(duì)還展示了平面光伏型膠體量子點(diǎn)成像芯片的高質(zhì)量短波紅外成像效果，如圖4所示。如在可見光下難以觀察到的硅片、化學(xué)成分等，通過短波紅外成像芯片得以清晰展示，證明了其在半導(dǎo)體檢測(cè)、食品檢測(cè)、化學(xué)分析等方面的應(yīng)用，展示了廣泛的應(yīng)用潛力。

圖4（a）短波紅外成像系統(tǒng)示意圖；可見光和短波紅外成像圖：（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。

綜上所述，北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可控的電場(chǎng)激活原位摻雜方法，研究了不同離子對(duì)摻雜濃度的作用機(jī)制，在光導(dǎo)型膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器內(nèi)構(gòu)建了橫向p-n結(jié)，實(shí)現(xiàn)了相比于未電場(chǎng)激活摻雜前性能顯著提高的平面光伏型膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片的制備，展示了在半導(dǎo)體檢測(cè)、食品檢測(cè)、化學(xué)分析等方面的應(yīng)用潛力。該研究工作得到了中芯熱成在焦平面探測(cè)器制備和焦平面成像系統(tǒng)測(cè)試方面的大力支持。中芯熱成是國(guó)內(nèi)首家專注于紅外量子材料成像芯片領(lǐng)域的高科技企業(yè)，專注于新型紅外量子材料器件制備及封裝技術(shù)，圍繞低維量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波紅外成像芯片解決方案，突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體倒裝鍵合工藝，開展低成本硅基讀出電路片（ROIC）上集成式紅外芯片的封裝與測(cè)試業(yè)務(wù)。目前已完成320 × 256、640 × 512、1280 × 1024像素陣列規(guī)模短波紅外、中波紅外等焦平面陣列研發(fā)工作，并具備批量生產(chǎn)能力。

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