摘要：北京理工大學光電學院紅外量子點團隊聯合中芯熱成科技（北京）有限責任公司（簡稱：中芯熱成）開發了一種可控的電場激活原位摻雜方法，在光導型膠體量子點紅外探測器內構建了橫向p-n結，解決了量子點紅外焦平面陣列成像芯片難以在光伏模式下工作的難題，實現了高性能的640 × 512像素規模平面光伏型量子點短波紅外成像芯片制備，助力半導體檢測、食品安全及安防監控等領域應用。相關成果以“Mercury Telluride Colloidal Quantum-dot Focal Plane Array with Planar p-n Junctions Enabled by in-situ Electric Field-activated Doping”為題發表于Science Advances期刊。該論文的第一作者為北京理工大學博士生秦天令、博士后牟鴿。

紅外成像技術在軍事及民用領域均有廣泛應用，現有的紅外成像芯片主要采用外延生長方法制備的塊體半導體材料，通過倒裝鍵合工藝實現與硅基讀出電路互聯，其價格高昂、工藝復雜，嚴重制約了成像規模和分辨率的提升。膠體量子點材料可以通過溶液法實現大規模、低成本合成，并且無需銦柱沉積及鍵合即可實現與讀出電路的直接耦合，為低成本、高性能成像芯片的研發提供了全新的思路。與光導型量子點紅外探測器相比，光伏型探測器在內建電場的作用下能夠顯著降低器件噪聲，提高探測靈敏度。然而，不可控、不均勻的摻雜方法使得目前量子點紅外焦平面陣列仍主要以光導型模式工作。

據麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學光電學院郝群教授、唐鑫教授團隊創新提出了一種可控的電場激活原位摻雜方法，并研究了不同離子對摻雜濃度的作用機制，實現了光導型向平面光伏型量子點紅外成像芯片的變革。通過改變電場極性和激活時間，摻雜極性空間可調，完成的像素規模為640 × 512、截止波段為2.5微米的短波紅外成像芯片實現了具有平面p-n結的光伏型工作模式，與光導型工作模式相比，平面光伏型器件比探測率提高了一個數量級。

電場激活原位摻雜的平面光伏型膠體量子點紅外成像芯片的工作原理如圖1所示。通過離子溶液處理和恒定電場激活，器件的工作模式由光導型變成了光伏型。場效應晶體管（FET）測試可知，通過簡單地改變電場激活時間和電場極性，量子點的摻雜極性可以得到很好的調控。正向電場激發n型摻雜，反向電場激發p型摻雜，使得器件恰好工作在反向偏壓區間。通過電場激活原位摻雜過程，器件的電流-電壓曲線表現了明顯的整流特性，并且在零偏壓下表現出了顯著的光電流，證明了器件內部形成了強烈的內建電場。

圖1 電場激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點紅外成像芯片工作原理：（a）工作原理示意圖；（b）碲化汞膠體量子點吸收光譜；（c、d）FET測量過程示意圖；（e）碲化汞膠體量子點的高分辨率透射電子顯微鏡圖像和薄膜的FET曲線；（f）正向電場和（g）反向電場激活下碲化汞膠體量子點薄膜的FET曲線；（h）電場激活原位摻雜過程后的器件電流-電壓曲線。

團隊研究了不同離子對摻雜濃度的作用機制，如圖2所示。研究發現，器件經過CdCl2溶液處理后與經過CuCl2、H2O、NaCl和FeCl3溶液處理相比表現出了最優的整流特性，其整流比是其他溶液處理后的十倍。隨著電場激活時間的增加，器件在零偏壓下的光電流逐漸增加達到峰值后降低。器件經過CdCl2溶液處理后的零偏壓下的光電流是其他溶液處理后的四倍。此外，器件經過CdCl2溶液處理后零偏壓下的光電流達到峰值所需要的電場激活時間最短。因此，器件經過CdCl2溶液處理，電場激活15分鐘，器件具有最強的內建電場。與未進行電場激活摻雜的光導型器件相比，電場激活原位摻雜平面光伏型器件比探測率提高了一個數量級，超過1011瓊斯。此外，器件的響應速度從未進行電場激活摻雜的25毫秒提升到了184微秒。

圖2 電場激活原位摻雜平面光伏型膠體量子點單點探測器：（a）性能表征過程示意圖；（b）電場激活原位摻雜平面光伏型器件在背景和不同紅外功率下的電流-電壓曲線；（c）器件經過不同溶液處理后的整流比-電壓曲線；（d）器件經過不同溶液處理后的零偏壓下的光電流-電場激活時間曲線；（e）器件經過電場激活原位摻雜前后的比探測率-電壓曲線；（f）器件經過電場激活原位摻雜前后的響應速度；（g）器件光譜響應測量示意圖；（h）器件的光譜響應曲線。

具有橫向p-n結的膠體量子點紅外探測器成功地與CMOS讀出電路（ROIC）單片集成，實現了像素規模為640 × 512、像元間距為15微米的平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片的制備，如圖3所示。薄膜的均方根（RMS）粗糙度僅為5納米，證明了量子點薄膜沉積的均勻性。截止波長為2.5微米的平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片具有優異的性能，與光導型成像芯片相比，死像元和過熱像元數顯著減少，器件噪聲減少了一個數量級。

圖3 平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片：（a）紅外成像芯片電極的光學顯微圖像；平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片的（b）原子力顯微鏡圖像和（c）直方圖；（d）平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片的響應度直方圖；電場激活原位摻雜前后的成像芯片的（e、f）過熱像元和死像元及（g）噪聲直方圖；平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片的（h）比探測率直方圖和（i）平均比探測率-電場激活時間曲線。

最后，該研究團隊還展示了平面光伏型膠體量子點成像芯片的高質量短波紅外成像效果，如圖4所示。如在可見光下難以觀察到的硅片、化學成分等，通過短波紅外成像芯片得以清晰展示，證明了其在半導體檢測、食品檢測、化學分析等方面的應用，展示了廣泛的應用潛力。

圖4（a）短波紅外成像系統示意圖；可見光和短波紅外成像圖：（b）曼妥思糖盒和糖盒前面的硅片、（c）表面有“BITQTL”字樣的蘋果和丁腈手套內的蘋果、（d）鹽、鹽和糖的混合物及糖。

綜上所述，北京理工大學研究團隊開發了一種可控的電場激活原位摻雜方法，研究了不同離子對摻雜濃度的作用機制，在光導型膠體量子點紅外探測器內構建了橫向p-n結，實現了相比于未電場激活摻雜前性能顯著提高的平面光伏型膠體量子點短波紅外成像芯片的制備，展示了在半導體檢測、食品檢測、化學分析等方面的應用潛力。該研究工作得到了中芯熱成在焦平面探測器制備和焦平面成像系統測試方面的大力支持。中芯熱成是國內首家專注于紅外量子材料成像芯片領域的高科技企業，專注于新型紅外量子材料器件制備及封裝技術，圍繞低維量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波紅外成像芯片解決方案，突破傳統半導體倒裝鍵合工藝，開展低成本硅基讀出電路片（ROIC）上集成式紅外芯片的封裝與測試業務。目前已完成320 × 256、640 × 512、1280 × 1024像素陣列規模短波紅外、中波紅外等焦平面陣列研發工作，并具備批量生產能力。

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