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，本工作提出了一種具有寬帶響應和長期穩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載流子傳輸，優化光吸收，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
