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21
2025
-
05
基于p-n同质结的量子点短波红外图像传感器
作者：
基于量子点（QD）的光电探测器是低成本构建短波红外（SWIR）图像传感器的有前途的替代方案。提高量子点的光响应和可扩展性对于实现其实际应用非常重要。现有的量子点光电探测器面临垂直p-n结引起的像素均匀性问题，这会导致显著的像素间变化，而垂直结构限制了实现更高分辨率和更小像素尺寸的能力。
据麦姆斯咨询报道，近日，西湖大学和浙江大学的研究团队利用p-n同质结光电导体架构开发了一种基于硫化铅（PbS）量子点的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容型短波红外图像传感器。通过碘化铅（PbI₂）处理的溶液相配体交换PbS量子点与乙二硫醇（EDT）处理的固态配体交换PbS量子点薄膜相结合，构建了p-n同质结，从而更有效地分离光生载流子并显著增强光响应。这种方法可将溶液处理的量子点与硅读出集成电路（ROIC）进行单片集成，无需复杂的倒装芯片键合，并有助于大规模制造（640 × 512）量子点图像传感器。因此，基于同质结的量子点短波红外图像传感器具有低噪声性能和高平均探测率，其捕获高分辨率短波红外图像的能力凸显了其在各种应用中的潜力。这项研究以“Quantum Dots Short-Wave Infrared Image Sensor with Enhanced Photoresponse Enabled by a Planar p–n Homojunction”为题发表在ACS Photonics期刊上。
图1a展示了量子点光电探测器与CMOS读出集成电路单片集成的示意图。图1b展示了基于同质结的PbS量子点的光电探测器的示意图。研究人员利用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、吸收光谱仪、光致发光（PL）光谱仪和原子力显微镜（AFM）对该器件进行表征。图2a展示了双层光电探测器的构型，图2c展示了基于p-n同质结的PbS量子点的光电探测器的工作机制。
接着，研究人员基于单层（PbS-PbI₂）和双层（PbS-PbI₂ + EDT）量子点薄膜制造了光电探测器，对其光电特性进行了测试，从而证明了p-n同质结的优势，相关结果如图3所示。
然后，研究人员成功将PbS量子点与由640 × 512像素组成的读出集成电路单片集成，形成短波红外图像传感器，如图4所示。研究人员利用该短波红外图像传感器实现短波红外成像，成像成果如图5所示。
综上所述，这项研究开发了一种基于p-n同质结的PbS量子点光电探测器。n型PbS-PbI₂薄膜和p型PbS-EDT薄膜的组合实现了自驱动的光载流子分离和积累，显著减少了载流子复合并增强了光电流。与垂直光电二极管配置相比，这种设计与硅读出集成电路完全兼容，有效降低了制造复杂性并最大限度地减少了沉积的不均匀性。因此，获得高分辨率的短波红外图像传感器在化学分析和半导体检查等各种应用中显示出巨大的潜力。这项研究提出的基于p-n同质结的光电探测器为开发平面量子点图像传感器提供了便捷方法，标志着下一代短波红外图像传感器的重大进步。
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