）开发了一种可控的电场激活原位掺杂办法，在光导型胶体量子点红外勘探器内构建了横向p-n结，处理了量子点红外焦平面阵列成像芯片难以在光伏形式下作业的难题，完结了高功能的640 × 512像素规划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、食物安全及安防监控等范畴使用。相关效果以“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。该论文的榜首作者为北京理工大学博士生秦天令、博士后牟鸽。

　　红外成像技能在军事及民用范畴均有广泛使用，现有的红外成像芯片首要选用外延成长办法制备的块体半导体资料，经过倒装键合工艺完结与硅基读出电路互联，其价格昂扬、工艺杂乱，严峻限制了成像规划和分辨率的进步。胶体量子点资料能够经过溶液法完结大规划、低成本组成，而且无需铟柱堆积及键合即可完结与读出电路的直接耦合，为低成本、高功能成像芯片的研制供给了全新的思路。与光导型量子点红外勘探器比较，光伏型勘探器在内建电场的效果下能够显着下降器材噪声，进步勘探灵敏度。但是，不可控、不均匀的掺杂办法使得现在量子点红外焦平面阵列仍首要以光导型形式作业。

　　据麦姆斯咨询报导，近来，北京理工大学光电学院郝群教授、唐鑫教授团队立异提出了一种可控的电场激活原位掺杂办法，并研讨了不同离子对掺杂浓度的效果机制，完结了光导型向平面光伏型量子点红外成像芯片的革新。经过改动电场极性和激活时刻，掺杂极性空间可调，完结的像素规划为640 × 512、截止波段为2.5微米的短波红外成像芯片完结了具有平面p-n结的光伏型作业形式，与光导型作业形式比较，平面光伏型器材比勘探率进步了一个数量级。

　　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作业原理如图1所示。经过离子溶液处理和稳定电场激活，器材的作业形式由光导型变成了光伏型。场效应晶体管（FET）测验可知，经过简略地改动电场激活时刻和电场极性，量子点的掺杂极功能够得到很好的调控。正向电场激起n型掺杂，反向电场激起p型掺杂，使得器材刚好作业在反向偏压区间。经过电场激活原位掺杂进程，器材的电流-电压曲线体现了显着的整流特性，而且在零偏压下体现出了显着的光电流，证明了器材内部形成了激烈的内建电场。

　　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作业原理：（a）作业原理示意图；（b）碲化汞胶体量子点吸收光谱；（c、d）FET丈量进程示意图；（e）碲化汞胶体量子点的高分辨率透射电子显微镜图画和薄膜的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）电场激活原位掺杂进程后的器材电流-电压曲线。

　　团队研讨了不同离子对掺杂浓度的效果机制，如图2所示。研讨发现，器材经过CdCl2溶液处理后与经过CuCl2、H2O、NaCl和FeCl3溶液处理比较体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。跟着电场激活时刻的添加，器材在零偏压下的光电流逐步添加到达峰值后下降。器材经过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，器材经过CdCl2溶液处理后零偏压下的光电流到达峰值所需求的电场激活时刻最短。因而，器材经过CdCl2溶液处理，电场激活15分钟，器材具有最强的内建电场。与未进行电场激活掺杂的光导型器材比较，电场激活原位掺杂平面光伏型器材比勘探率进步了一个数量级，超越10¹¹琼斯。此外，器材的呼应速度从未进行电场激活掺杂的25毫秒进步到了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勘探器：（a）功能表征进程示意图；（b）电场激活原位掺杂平面光伏型器材在布景和不同红外功率下的电流-电压曲线；（c）器材经过不同溶液处理后的整流比-电压曲线；（d）器材经过不同溶液处理后的零偏压下的光电流-电场激活时刻曲线；（e）器材经过电场激活原位掺杂前后的比勘探率-电压曲线；（f）器材经过电场激活原位掺杂前后的呼应速度；（g）器材光谱呼应丈量示意图；（h）器材的光谱呼应曲线。

　　具有横向p-n结的胶体量子点红外勘探器成功地与CMOS读出电路（ROIC）单片集成，完结了像素规划为640 × 512、像元距离为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，证明了量子点薄膜堆积的均匀性。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功能，与光导型成像芯片比较，死像元和过热像元数显着削减，器材噪声削减了一个数量级。

　　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画；平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的（b）原子力显微镜图画和（c）直方图；（d）平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的呼应度直方图；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）比勘探率直方图和（i）均匀比勘探率-电场激活时刻曲线。

　　最终，该研讨团队还展现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，经过短波红外成像芯片得以明晰展现，证明了其在半导体检测、食物检测、化学分析等方面的使用，展现了广泛的使用潜力。

　　图4 （a）短波红外成像体系示意图；可见光和短波红外成像图：（b）曼妥思糖盒和糖盒前面的硅片、（c）外表有“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。

　　综上所述，北京理工大学研讨团队开发了一种可控的电场激活原位掺杂办法，研讨了不同离子对掺杂浓度的效果机制，在光导型胶体量子点红外勘探器内构建了横向p-n结，完结了比较于未电场激活掺杂前功能显着进步的平面光伏型胶体量子点短波红外成像芯片的制备，展现了在半导体检测、食物检测、化学分析等方面的使用潜力。该研讨作业得到了中芯热成在焦平面勘探器制备和焦平面成像体系测验方面的大力支持。中芯热成是国内首家专心于红外量子资料成像芯片范畴的高科技企业，专心于新式红外量子资料器材制备及封装技能，环绕低维量子资料推出下一代低成本、高分辨率短涉及中波红外成像芯片处理方案，打破传统半导体倒装键合工艺，展开低成本硅基读出电路片（ROIC）上集成式红外芯片的封装与测验事务。现在已完结320 × 256、640 × 512、1280 × 1024像素阵列规划短波红外、中波红外等焦平面阵列研制作业，并具有批量生产能力。

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