【研究简介】

随着短波近红外（SWIR）光检测技术在自动化视觉、生物成像和环境监测等领域的重要性日益凸显，科学家们不断探索新的技术突破，以提高SWIR光电探测器的性能。相较于传统的外延（In，Ga）As或（Hg，Cd）Te半导体材料，胶体量子点具有尺寸可调的带隙和成本效益高的优势，使其成为SWIR光电探测材料的理想选择。然而，要实现纳秒级响应时间仍然是领域内的重要挑战。近日，一项由比利时根特大学邓玉豪（第一作者兼通讯作者）等人完成的研究取得了突破性进展：他们成功利用超薄胶体量子点吸收层，实现了基于胶体量子点的SWIR光电二极管（QDPDs）的创纪录的纳秒级响应，这是SWIR领域最快的胶体量子点光电探测器。这项研究的结果已在《Advanced Materials》杂志上发表，为胶体量子点在超快短波近红外探测技术的进一步研究和应用提供了重要参考。

【研究背景】

短波近红外窗口（SWIR，1000-3000 nm）的光散射远远弱于可见光，使其即使在恶劣天气或生物组织中也能提供长距离的有效检测。并且SWIR光在成像场景中能提供更多的物质化学信息，同时对人眼也更安全，因此在光通信、远程遥感、自动化视觉技术、生物成像、环境监测和光谱技术中具有重要作用。对于高空间分辨率和高帧率的3D成像，纳秒级或更快的光电探测器至关重要。当前市场上的SWIR传感器采用异质外延技术，但由于使用外延的制备方法和繁琐的集成步骤，不适合在大规模、低成本的3D成像中部署。胶体量子点（QDs）作为有前途的可打印半导体出现，其尺寸可调的光学特性使其成为检测SWIR光的理想选择。

在2009年，硫化铅光电二极管结构探测器具有70 ns响应时间被报道。最近，通过将有机卤化物配体替换为无机卤化物配体，硫化铅响应时间进一步缩短至10 ns量级，但是距离应用需求的纳秒量级仍然没有实现。在其他III-V族SWIR 胶体量子点上，工作也尚未获得明显进展，其器件响应时间范围从约1微秒到7.3微秒，甚至长达500毫秒。因此，实现超快速、纳秒级的光响应仍然是将胶体量子点应用于SWIR光电探测领域的主要挑战。

【研究内容】

在这项最新研究中，作者采用了一系列创新策略来克服这一领域难题。

首先，作者提出通过降低活性层厚度，使载流子的迁移时间达到了纳秒级别。如图1所示，作者先基于器件的响应时间进行模拟计算，对于 500 nm厚的膜的漂移时间为62.5 ns，而100 nm厚的膜的漂移时间仅为2.5 ns。这表明，漂移时间将限制厚度较大的器件的响应，而RC延迟效应将决定较薄器件的响应时间。然而，两者之间的平衡在很大程度上取决于器件的面积，通过降低器件面积，比如使用直径为50 μm或更小的接触电极时，就可以实现几纳秒的响应时间。

如图2所示，作者通过优化器件的制备流程获得高性能的超薄结构光电二极管。使用传统的层状交换方法，先通过TBAI交换胶体量子点表面的长链获得N型层，再通过EDT交换获得P型层，但是EDT交换时的渗透会移除TBAI层中的碘离子，从而使得TBAI层丧失N型，甚至变成P型，这种情况在超薄器件的时候表现得特别显著，PN结的构建被破坏，器件的整流比也很低，最后作者通过浓度梯度的交换法，先使用低浓度的EDT，使得形成致密的层，再逐渐增加EDT的浓度，多层依次浓度梯度，提高了PN结的质量，得到了整流比1600的器件。高质量的PN结是实现高量子效率与高速度的关键。

图3为器件结构示意图和性能图，器件的胶体量子点层优化为100 nm，器件的EQE达到了42%，值得一提的是，作者在此通过优化结构设计，利用结构形成法布里-珀罗腔，在超薄结构的基础上将量子点层的吸收增强了2.5倍，这也是为什么在如此薄的情况，器件仍然具有如此高的EQE的原因，而因为超薄的结构，器件的内量子效率可以高达98%。

图4为作者通过制备，不同面积大小的器件，与不同厚度的器件，测试得到的响应时间。如图所示，通过降低器件面积，优化器件的厚度可以使得器件具有更快的响应，作者通过优化结构设计实现了4 ns响应时间的世界纪录，也是首次将胶体量子点短波近红外探测速度逼近到了纳秒级别。

在图5中，作者对能否进一步提快器件的响应进行了数值模拟，发现只要继续提高量子点层的迁移率，结构还可以继续优化，完全可以实现亚纳秒的响应时间，这为接下来胶体量子点超快探测器的研究阐明了研究方向。

【总结展望】

本研究通过设计超薄吸收层的胶体量子点光电探测器，首次实现了在短波红外波段创纪录的纳秒级的响应。同时通过使用浓度梯度的配体交换方法，在超薄结构器件中，制备了具有高质量PN结的薄膜。此光电探测器在1330 nm处，获得了 42%的外部量子效率，这是通过QDPD内形成法布里-珀罗腔和高效光生电荷提取的结合产生的。此外，通过进一步增加载流子迁移率，这些器件可以实现亚纳秒级的响应时间。这项研究的成功突破将为SWIR超快光电探测技术的进一步发展带来重大影响。

【作者简介】

Yu-Hao Deng (邓玉豪)博士，比利时根特大学BOF博士后研究员，主要研究方向为胶体量子点材料与光电器件以及钙钛矿材料表征与光电器件。邓博士之前已在Nature，Advanced Materials，Matter, Nano Letters，Physical Review Letters，Advanced Science等国际期刊上发表文章数篇。

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文献详情：ADVANC~2.PDF

Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers

https://doi.org/10.1002/adma.202402002

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