隨著短波近紅外（SWIR）光檢測技術在自動化視覺、生物成像和環境監測等領域的重要性日益凸顯，科學家們不斷探索新的技術突破，以提高SWIR光電探測器的性能。相較于傳統的外延（In，Ga）As或（Hg，Cd）Te半導體材料，膠體量子點具有尺寸可調的帶隙和成本效益高的優勢，使其成為SWIR光電探測材料的理想選擇。然而，要實現納秒級響應時間仍然是領域內的重要挑戰。近日，一項由比利時根特大學鄧玉豪（第一作者兼通訊作者）等人完成的研究取得了突破性進展：他們成功利用超薄膠體量子點吸收層，實現了基于膠體量子點的SWIR光電二極管（QDPDs）的創紀錄的納秒級響應，這是SWIR領域最快的膠體量子點光電探測器。這項研究的結果已在《Advanced Materials》雜志上發表，為膠體量子點在超快短波近紅外探測技術的進一步研究和應用提供了重要參考。
研究背景
短波近紅外窗口（SWIR，1000-3000 nm）的光散射遠遠弱于可見光，使其即使在惡劣天氣或生物組織中也能提供長距離的有效檢測。并且SWIR光在成像場景中能提供更多的物質化學信息，同時對人眼也更安全，因此在光通信、遠程遙感、自動化視覺技術、生物成像、環境監測和光譜技術中具有重要作用。對于高空間分辨率和高幀率的3D成像，納秒級或更快的光電探測器至關重要。當前市場上的SWIR傳感器采用異質外延技術，但由于使用外延的制備方法和繁瑣的集成步驟，不適合在大規模、低成本的3D成像中部署。膠體量子點（QDs）作為有前途的可打印半導體出現，其尺寸可調的光學特性使其成為檢測SWIR光的理想選擇。
在2009年，硫化鉛光電二極管結構探測器具有70 ns響應時間被報道。最近，通過將有機鹵化物配體替換為無機鹵化物配體，硫化鉛響應時間進一步縮短至10 ns量級，但是距離應用需求的納秒量級仍然沒有實現。在其他III-V族SWIR 膠體量子點上，工作也尚未獲得明顯進展，其器件響應時間范圍從約1微秒到7.3微秒，甚至長達500毫秒。因此，實現超快速、納秒級的光響應仍然是將膠體量子點應用于SWIR光電探測領域的主要挑戰。
研究內容
在這項最新研究中，作者采用了一系列創新策略來克服這一領域難題。
首先，作者提出通過降低活性層厚度，使載流子的遷移時間達到了納秒級別。如圖1所示，作者先基于器件的響應時間進行模擬計算，對于 500 nm厚的膜的漂移時間為62.5 ns，而100 nm厚的膜的漂移時間僅為2.5 ns。這表明，漂移時間將限制厚度較大的器件的響應，而RC延遲效應將決定較薄器件的響應時間。然而，兩者之間的平衡在很大程度上取決于器件的面積，通過降低器件面積，比如使用直徑為50 μm或更小的接觸電極時，就可以實現幾納秒的響應時間。
如圖2所示，作者通過優化器件的制備流程獲得高性能的超薄結構光電二極管。使用傳統的層狀交換方法，先通過TBAI交換膠體量子點表面的長鏈獲得N型層，再通過EDT交換獲得P型層，但是EDT交換時的滲透會移除TBAI層中的碘離子，從而使得TBAI層喪失N型，甚至變成P型，這種情況在超薄器件的時候表現得特別顯著，PN結的構建被破壞，器件的整流比也很低，最后作者通過濃度梯度的交換法，先使用低濃度的EDT，使得形成致密的層，再逐漸增加EDT的濃度，多層依次濃度梯度，提高了PN結的質量，得到了整流比1600的器件。高質量的PN結是實現高量子效率與高速度的關鍵。
圖3為器件結構示意圖和性能圖，器件的膠體量子點層優化為100 nm，器件的EQE達到了42%，值得一提的是，作者在此通過優化結構設計，利用結構形成法布里-珀羅腔，在超薄結構的基礎上將量子點層的吸收增強了2.5倍，這也是為什么在如此薄的情況，器件仍然具有如此高的EQE的原因，而因為超薄的結構，器件的內量子效率可以高達98%。
圖4為作者通過制備，不同面積大小的器件，與不同厚度的器件，測試得到的響應時間。如圖所示，通過降低器件面積，優化器件的厚度可以使得器件具有更快的響應，作者通過優化結構設計實現了4 ns響應時間的世界紀錄，也是首次將膠體量子點短波近紅外探測速度逼近到了納秒級別。
在圖5中，作者對能否進一步提快器件的響應進行了數值模擬，發現只要繼續提高量子點層的遷移率，結構還可以繼續優化，完全可以實現亞納秒的響應時間，這為接下來膠體量子點超快探測器的研究闡明了研究方向。
總結展望
本研究通過設計超薄吸收層的膠體量子點光電探測器，首次實現了在短波紅外波段創紀錄的納秒級的響應。同時通過使用濃度梯度的配體交換方法，在超薄結構器件中，制備了具有高質量PN結的薄膜。此光電探測器在1330 nm處，獲得了 42%的外部量子效率，這是通過QDPD內形成法布里-珀羅腔和高效光生電荷提取的結合產生的。此外，通過進一步增加載流子遷移率，這些器件可以實現亞納秒級的響應時間。這項研究的成功突破將為SWIR超快光電探測技術的進一步發展帶來重大影響。
作者簡介
Yu-Hao Deng (鄧玉豪)博士，比利時根特大學BOF博士后研究員，主要研究方向為膠體量子點材料與光電器件以及鈣鈦礦材料表征與光電器件。鄧博士之前已在Nature，Advanced Materials，Matter, Nano Letters，Physical Review Letters，Advanced Science等國際期刊上發表文章數篇。
課題組主頁：https://www.nano.ugent.be/content/jobs
文獻詳情：
Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers
https://doi.org/10.1002/adma.202402002
