膠體半導體納米晶體或量子點（QDs）是一種新興的光電材料，它將基于溶液的處理適用性與廣泛可調諧的吸收和發射特性相結合。基于膠體量子點的短波紅外（SWIR）圖像傳感器具有成本低、像素間距小、光譜可調諧性等諸多特點。

然而，由于對鉛（Pb）和汞（Hg）等有害元素的限制，量子點短波紅外（QD-SWIR）圖像傳感器的應用受到了阻礙。這些限制刺激了科研領域對環保的膠體量子點的研究，其中如InAs和InSb等III-V族量子點，目前被認為是與短波紅外應用最相關的量子點材料。III-V族半導體廣泛用于光電子學，也用于短波紅外應用，特別是膠體InAs量子點方面，其主要合成工藝在過去五年中取得了重大進展。

In(As, P)量子點場效應晶體管示意圖

據麥姆斯咨詢報道，近日，比利時根特大學（Ghent University）的Zeger Hens等研究者將關于用于短波紅外光電探測的III-V族膠體量子點光電二極管（QDPD）的研究成果發表于Advanced Science期刊。該研究第一作者為比利時根特大學的Jari Leemans。

該項目重點研究了量子點圖像傳感器的核心元件——量子點光電二極管，它由工作波長高達1400nm的非受限In(As,P)量子點制成。該研究中采用了三種不同In(As,P)量子點制備批次，制備時采用可擴展、同粒度同批次的反應，并在1140nm、1270nm和1400nm波長處具有帶邊吸收。隨后，對這些量子點進行后處理，以獲得短鏈配體穩定的In(As,P)納米膠體，由此通過旋轉涂布形成n- In(As,P)半導體薄膜。這三種量子點均將這些薄膜夾在空穴傳輸層p-NiO與電子傳輸層Nb:TiO2之間，最終得到In(As,P)量子點光電二極管。該量子點光電二極管的內部量子效率在46±5%量子點帶隙處表現最佳，并對波長高達1400nm的短波紅外光敏感。

In(As,P)量子點光電二極管能級圖及其堆棧

該研究結果證明了基于In(As,P)量子點的短波紅外光電二極管的成功構建。這些量子點光電二極管（QDPD）是在二甲基甲酰胺中使用量子點分散體所制備，其中利用短鏈催化劑取代了原始的長鏈有機配體。在觀察到In(As,P)量子點薄膜表現出n型摻雜時，研究者引入了基于氧化銦錫（ITO）上n-In(As,P)量子點與p-NiO間異質結的量子點光電二極管堆棧，并使用與鋁接觸的Nb:TiO2納米顆粒薄膜作為電子傳輸層。無論在1140nm、1270nm以及1400nm波長的量子點帶邊躍遷如何變化，在黑暗中這些堆棧均顯示出整流電流-電壓性能，反向偏置電位與預期堆棧設計一致，并表現出在照明條件下與光強近似成比例增加的光電流。對于所有器件而言，外部量子效率跟隨量子點吸收光譜變化，從而使薄膜光敏度達到甚至超過1400nm。雖然這些基于非限制性In(As,P)量子點的短波紅外量子點光電二極管堆棧獲得了高達46%的內部量子效率，但是通過增強電荷載流子提取和改善量子點光電二極管堆棧內的能帶對準，還有進一步改善的空間。

這項研究獲得了比利時根特大學研究基金（GOA 01G01019）的支持，論文鏈接為：https://doi.org/10.1002/advs.202200844。

審核編輯 ：李倩