北京理工大学光电学院Science Advances封面：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。
正文：
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大规模低成本合成，并且无需铟柱沉积及键合绑定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。
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1011Jones。此外，器件的响应速度从未电场激活掺杂的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 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，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短波红外成像：（a）成像过程示意图。（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的可见光和短波红外成像图。
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。
Tianling Qin, Ge Mu, Pengfei Zhao, Yimei Tan, Yanfei Liu, Shuo Zhang, Yuning Luo, Qun Hao, Menglu Chen, Xin Tang. Mercury Telluride Colloidal Quantum-dot Focal Plane Array with Planar p-n Junctions Enabled by in-situ Electric Field-activated Doping. Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.adg7827.
附作者简介：
秦天令，北京理工大学光电学院在读博士研究生，从事高性能新型光电探测器的研究。发表论文9篇（SCI和EI收录论文7篇），其中第一作者论文发表在Science Advances、ASC Photonics、Journal of Materials Chemistry C等顶级期刊，申请专利6项（授权3项，实审3项），多次参加国内外重要会议做口头报告并多次获得会议优秀论文奖。曾获得中国仪器仪表学会一等奖学金、全国光电大学生设计竞赛二等奖、国家留学基金委奖学金、国家公派留学资格、北京理工大学优秀研究生等荣誉奖励52项，其中国家级8次，省部级27次。以项目负责人主持北京理工大学2022年度研究生科研水平和创新能力提升专项计划重点项目，并以项目骨干承担其他国家级省部级项目10余项。
牟鸽，北京理工大学光电学院博士后，长期从事新型材料及光电器件研究工作。近五年共发表SCI论文24篇，其中以第一作者或通讯作者发表于Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Small、Photonics Research等光学、物理及材料顶级期刊共18篇，论文总被引次数三百余次。现主持中国博士后科学基金面上资助项目，以技术骨干身份参与国家级重点项目5项。共申请专利6项，其中以第二发明人已授权专利3项。多次参加国内外重要会议并做特邀口头报告。曾获得北京市普通高等学校优秀毕业生，北京理工大学2021夏季优秀毕业生等荣誉称号。
郝群，北京理工大学教授、博士生导师、特聘教授。1998年获清华大学工学博士学位；2003年获北京理工大学破格提升为教授；2004年被聘为北京理工大学博士生导师；1999~2001年兼任日本东京大学客座研究员；2011年兼任美国 Case Western Reserve University 讲座教授。高校创新引智基地负责人、科技部重点领域创新团队负责人、教育部跨世纪优秀人才、北京市教学名师、全国“巾帼建功”标兵。长期从事新型光电成像传感技术和光电精密测试技术领域的教学和科研工作，主要研究方向包括新型低维材料、红外光电材料，新型光电探测与成像技术、仿生光电感测技术等方面。发表 SCI 论文220余篇，获授权发明专利160余项。
陈梦璐，北京理工大学光电学院教授、博士生导师。入选国家级高层次青年人才，北京市科技新星、中国科协青年托举工程等计划。本科毕业于中国科学技术大学少年班学院，获严济慈荣誉学士；博士毕业于美国芝加哥大学物理系，长期从事低维红外材料合成及物性优化、红外探测及成像应用等相关研究，以第一或通讯作者论文发表SCI论文30余篇，包括Nature Materials, Light：Science & Applications，ACS Nano等顶刊。获得国际先进材料协会科学奖（IAAM Scientist Medal）等奖项。
唐鑫，北京理工大学光电学院，教授/博士生导师，入选海外高层次人才引进计划青年项目、中国科协青年人才托举工程等。主持国家自然科学基金重点项目“大面阵焦平面多色成像技术”、国家重点研发计划专项“碳基-量子点复合材料片上集成式红外芯片技术”等项目。长期从事新型量子点红外探测及成像技术研究工作，为低成本高性能多色红外焦平面阵列的研发提供了技术及理论基础，先后实现了背景限探测中波红外探测器、短波/中波红外双色探测器、百万像素短波红外焦平面阵列、紫外-红外双色焦平面阵列等研究工作。第一作者或通讯作者发表学术论文60余篇，包括Nature Photonics、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano、Laser&Photonics Reviews、ACS Photonics等。
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