碲化汞胶体量子点短波红外探测器的器件结构研究

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作为传感器的典型代表,红外探测器不仅被深入应用在红外遥感、红外制导、红外侦察等军事领域,也在红外测温、光纤通信、激光雷达、医疗诊断、工业检测等民用领域被广泛应用。商用In Ga As短波红外探测器因生产设备昂贵、需要倒装键合等原因导致其成本居高不下,成为制约其进一步民用化的主要问题。碲化汞胶体量子点具有带隙可调、溶液法加工、成本低廉、易与硅基读出电路集成等突出优点,成为降低红外芯片成本的有力候选材料。然而目前碲化汞胶体量子点红外探测器仍处于研发初期,开发更高效的器件结构和筛选合适的载流子传输层成为探测器性能进一步提升的主要课题。本文基于目前光伏型碲化汞胶体量子点红外探测器的主流器件结构,围绕以下三个方面进行了研究:(1)基于有机相合成体系,实现了碲化汞胶体量子点的可控合成,量子点的吸收截止波长可在2.2μm至4.2μm连续可调,覆盖短波红外和中波红外波段。基于吸收截止波长为2.2μm的碲化汞胶体量子点,通过旋涂法实现了碲化汞胶体量子点短波红外探测器的成功制备。(2)空穴传输层及其性能研究。首先基于当前器件结构中的碲化银量子点空穴传输层,优化了碲化银量子点的微观尺寸,碲化汞量子点红外探测器的比探测率优化至4.7×1010Jones。随后引入Spiro-OMe TAD层与碲化银量子点层形成双层空穴传输层,解决了探测器后表面较为粗糙的问题,改善了顶电极的金半接触效果,室温下比探测率提升显著,达到6.72×1010Jones。(3)电子传输层及其性能研究。针对目前器件结构中缺乏高效电子传输层的问题,开发了快速热蒸发法制备的硫化铋薄膜电子传输层,基于硫化铋薄膜电子传输层的碲化汞量子点短波红外探测器实现了响应度、噪声、响应时间、响应带宽、线性动态范围等性能指标的全面改善。其线性动态范围大于80 d B,响应带宽可达78 k Hz。2.2μm波段的碲化汞胶体量子点红外探测器室温下比探测率可达1.2×1011 Jones,为领域内当前报道的最高值。
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