高性能寬帶光電探測器（PD）在各種軍事和民用應用中至關重要。然而，傳統的近紅外（NIR）PD仍然面臨一些不可避免的自身限制，例如硅（Si）的有限光吸收范圍和InGaAs的大面積陣列問題。為了應對這些挑戰(zhàn)，本工作提出了一種具有寬帶響應和長期穩(wěn)定性的高性能非制冷近紅外PD，該PD由PbS量子點（QDs）/三維石墨烯（3D石墨烯）/Si異質結集成。納米結構（3D石墨烯）和界面工程（PbS量子點）在硅上的結合有效地調節(jié)載流子傳輸，優(yōu)化光吸收，并提高光伏轉換效率。所提出的硅基PD的檢測范圍可以擴展到2200nm。即使在該波長下，該器件也表現出高探測率（6.8×10
10Jones）和高響應率（5.2×10
4mA/W）。此外，該器件表現出令人滿意的再現性和長期穩(wěn)定性，在光學邏輯門電路和紅外成像應用中具有重要前景。這項研究釋放了硅在近紅外檢測中的全部潛力，并強調了其在下一代近紅外成像和集成電路開發(fā)中的巨大潛力。
圖1. （a） PbS量子點/3D石墨烯/Si的SEM圖像。插圖顯示了PbS量子點的高分辨率TEM圖像。（d，e）分別為PbS量子點/3D石墨烯/Si的橫截面EDS元素圖和C、Si、S和Pb的EDS圖結果。（f） 3D石墨烯與PbS量子點集成前后的XPS比較圖。PbS量子點/3D石墨烯結構在三維中的歸一化功率損耗密度分布（g）和歸一化電場分布（h）。（i） 橫截面的歸一化電場分布。
圖2. （a，b）3D石墨烯/Si橫截面處的形態(tài)和電勢圖的同時測量。（c） 等值線圖，說明垂直方向上的高度和電位分布，對應于部分（a）和（b）。（d，e）在PbS量子點/3D石墨烯/Si橫截面處的共形和電勢圖的同時測量。（f） 描繪垂直方向上高度和電位分布的等高線圖，對應于圖（d）和（e）。
圖3. 3D石墨烯/Si異質結在黑暗中（a）和在光下（b）的表面電勢。（c） 由（a）和（b）得出的表面電位變化。PbS量子點/3D石墨烯/Si異質結在黑暗（d）和光照（e）下的表面電勢。（f） 由（d）和（e）得出的表面電位變化。（g） PbS量子點/3D石墨烯/Si模型的側視圖。（h） PbS量子點和3D石墨烯/Si的電荷分布的頂視圖。
圖4. 用PbS量子點修飾前后異質結的瞬態(tài)光電流衰減曲線（a）和頻率相關噪聲電流（b）。（c） I–V曲線在相同的光強度下但在不同的波長下。（d） 相同波長下不同旋涂速度的I–V曲線。（e） 不同旋涂速度的光電流統計圖。（f） 光電流振幅在不同調制頻率下衰減的特性。（g） PD在具有−1 V反向偏壓的2200 nm波長照明下的響應特性。（h） 在2200nm波長照明下，PD對具有不同調制頻率的光的響應。（i） 2200 nm波長照明下PD的上升/下降時間。
圖5.（a）在1850和2200 nm處，V=0 V時PD的光學響應。（b）和（c）雙頻帶光電邏輯門的I–T曲線。插圖描繪了“OR”和“and”門的電路圖。（d） 基于單像素的紅外成像系統的示意圖。（e） –（h）紅外（980–2200 nm）照明下“熊貓”圖案（230×230像素）的成像結果。
相關研究成果由上海微系統與信息技術研究所Li Zheng、Caichao Ye和Gang Wang等人2024年發(fā)表在ACS Photonics (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01803)上。原文：Integration of PbS Quantum Dots with 3D-Graphene for Self-powered Broadband Photodetectors in Image Sensors
轉自《石墨烯研究》公眾號
