光电技术专题| 二维材料赋能HgTe量子点红外探测器
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201606576
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一、摘要
汞碲化物（HgTe）胶体量子点（CQD）因其低成本、溶液加工和在短波和中红外光谱中可调吸收尺寸而成为短波和中红外光检测应用中有前景的材料。然而，由于其低迁移率和较差的光增益，限制了HgTe CQD基光探测器的响应度仅在几十mA W-1范围内。本文将HgTe CQD集成到TiO2封装的MoS2晶体管通道上，形成了具有高响应度的混合光晶体管，其响应度达到 ≈106 A W-1，这是迄今为止HgTe QD报道的最高值。通过将光晶体管置于由MoS2门调制的耗尽区域运行，显著抑制了噪声电流，导致在波长为2 µm时实验测得的特定探测度 D* 达到 ≈1012 Jones。该研究首次展示了混合2D/QD探测器技术在实现超出2 µm波长的高灵敏度方面的潜力。
二、研究背景和研究内容简介
短波红外（SWIR，1–2 µm）、中波红外（2–5 µm）和长波红外（LWIR，8–12 µm）中的红外 (IR) 光电探测器的技术重要性与日俱增适用于夜视、遥感和环境监测等领域的应用。尽管存在商用红外光电探测器，但它们都是基于外延生长的材料系统，例如 InGaAs、InAs、HgCdTe 和 II 型超晶格；HgCdTe，也称为 MCT（汞镉碲化物），可以通过调整化学计量成分来调整到从长波红外到短波红外的任何截止波长。由于所涉及的增长机制，这些技术的成本及其 CMOS 不兼容性对红外传感在越来越多的应用中的开发提出了重大挑战。为了应对这些挑战，具有小带隙的胶体量子点 (CQD)作为红外探测器的替代低成本、CMOS 兼容光电平台得到了广泛研究。HgSe 和 HgTe 胶体量子点尤其被考虑用于红外检测，因为它们在整个红外光谱范围内具有较小的可调谐带隙，并且具有非常有利的光学特性。基于这些量子点的光电导探测器也已报道基于集成电极结构上的旋涂、喷涂或喷墨印刷技术。然而，由于载流子迁移率低、缺乏敏化中心以及随之而来的光电导增益的缺乏，这些先前报告中的响应度被限制在数十mA W-1，与广泛报道的结果相反报道了基于 PbS 的 CQD 光电导体。最近，随着 2D 材料的出现，石墨烯或半导体过渡金属二硫化物 (TMD) 与光电晶体管架构中的量子点的结合带来了增益和灵敏度的新记录。这些探测器利用 QD 的强、可调谐吸收和敏化与 2D 材料的原子薄、高迁移率通道的协同作用，使用PbS CQD 在高达 1650 nm 的波长范围内提供约105 –108的光电导增益。半导体 2D 通道的使用特别有前景，因为它们使晶体管能够在耗尽模式下运行，从而通过适当的接口工程在黑暗条件下提供低漏电流的优势。这一特性至关重要，尤其是在低带隙红外光电探测器中，这些光电探测器在室温下会产生大暗电流，从而产生大噪声电流。
高性能红外探测器的先决条件包括强而快速的光响应、低噪声以及宽带光谱覆盖。为了在单一平台中容纳这些功能，并具有低成本、CMOS 可集成性和潜在灵活性的附加值，我们设计了新型 MoS2 /HgTe QD 混合架构。在这些结构中解决这些挑战的关键层是MoS2通道和 HgTe QD 层之间的 TiO2缓冲层，该缓冲层充当 MoS2通道的保护层并作为 n 型电子受体介质以形成有效的界面处与 HgTe QD 的p-n结促进电荷转移到 MoS2通道。因此，可以实现栅极调制的低暗电流。同时，由于载流子再循环机制，报告了高响应率，这导致首次在 HgTe QD 基材料中展示了增益。更有趣的是，我们的混合光电探测器的响应光谱扩展到超过 2 µm 的短红外波长范围，并有可能根据 HgTe QD 的尺寸进一步扩展。考虑到汞硫属化物量子点的长波长光吸收高达 20 µm，该混合平台为高性能、高增益和低成本的中波和长波红外光电探测器铺平了道路。
图1 a) 典型MoS2/TiO2/HgTe混合光电探测器的光学显微镜和SEM图像，两个比例尺均为5 µm。b）具有光照明的混合器件以及混合光电探测器中光生载流子分离和传输的示意图。c）原始MoS2和MoS2 /HgTe在有和没有TiO2光电探测器的情况下的传输曲线；没有ALD TiO2层的器件失去了高暗电流的栅极调制，但有TiO2层时电流仍然很低。施加的偏压为 1 V。
图2 a) MoS2、TiO2和HgTe QD的能带对准，在HgTe/TiO2界面处进行II型能带对准。b) MoS2、HgTe和混合光电探测器的响应度的光功率密度依赖性，光波长为635 nm，施加的偏压和栅极分别为1和0 V。c）光波长分别为635 nm（56.2 mW cm-2）和1310 nm（53 mW cm-2）的不同器件中光电流的动态响应，表现出亚毫秒响应。d) 三个设备的光谱响应度；混合检测器的检测波长延长至 2.1 µm，并增强了 HgTe QD 吸收光谱的响应度。施加的偏压和栅极分别为 1 和 0 V。实线是眼睛的引导。
图3 a) 明暗电流比、响应度和测量的D*作为背栅电压的函数，偏置为 1 V，光照明功率密度为 35 mW cm-2（对应于有源区域上的 7 nW 光功率）波长为 635 nm。b）室温环境条件下，V sd为1 V的不同背栅下混合光电探测器的噪声谱密度（ S n ）。实线是 1/ f拟合，指示探测器中占主导地位的 1/ f噪声分量。由于我们的系统可测量的最低噪声水平，测量单元的本底噪声在V g为 -15 V 且高频时达到平坦的频谱噪声密度线。c) 混合光电探测器在偏置为 1 V 的不同背栅处的光谱响应度。d) 测量的探测率D*（调制频率为 1 Hz）的波长依赖性以及测量偏置和门分别为 1 和 -15 V 时的响应度。
我司E2系列设备针对中波红外波段，设计了光电测试整体解决方案，特点如下：
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三、实验部分
HgTe CQD 合成：将 0.128 g Te 托盘添加到 1 mL 三辛基膦 (TOP) 中。随后将该溶液在100℃下加热以形成澄清的淡黄色溶液。该 Te-TOP 溶液储存在手套箱中以供进一步使用。将 100 µL 该溶液用 5 mL 油胺稀释，用于合成 HgTe 纳米颗粒。请注意，用于此目的的油胺预先在 80°C 真空下干燥过夜。在单独的烧瓶中，将54mg HgCl2与8mL油胺混合。将溶液在真空下加热至 80°C 1 小时，然后切换至氩气。此外，将HgCl2 -油胺溶液加热至90℃并立即添加Te-TOP-油胺溶液。根据所需的纳米颗粒最终尺寸调整反应时间。合成后，用 100 µL TOP 和 1 mL 十二烷硫醇稳定纳米晶体。用甲醇和丙酮的混合物洗涤纳米晶体两次。
器件制造和测量：MoS2晶体购自2D半导体公司。然后使用微机械剥离方法在Si/SiO2 (285 nm)晶片上用聚二甲基硅氧烷(PDMS)胶带剥离几层MoS2。具体过程如下：将MoS2晶体切片粘贴在PDMS胶带上。将胶带的粘性面对折，然后将胶带非常缓慢地撕开。重复该操作2至3次，然后通过轻轻按压胶带并将其缓慢移除，将纳米薄片剥离到SiO2 /Si基底上。最后将基材放入60℃的丙酮中2h，去除残胶。
通过激光写入光刻制造金属触点，并分别通过电子束和热蒸发来蒸发Ti（2 nm）和Au（70 nm）电极。在环境条件下进行测试测量后，使用原子层沉积技术（Savannah 200，Cambridge Nanotech）将20 nm TiO2覆盖到器件上。交替使用异丙醇钛和H2O前体，开阀时间分别为0.1和0.015秒，间隔10秒的泵送时间。生长速率和温度设置为每个循环0.04 nm和200°。
然后以标准的逐层方法以 3000 rpm 的转速旋涂 HgTe QDs 薄膜。使用的QD浓度是在甲苯中的30 mg mL-1，并且用于配体交换的乙二硫醇(EDT)溶液是在乙腈中的2体积％。每层 QD 和 EDT 沉积后，使用甲苯和乙腈冲洗器件。所得样品的厚度在 80–90 nm 范围内。
所有测量均在环境条件下使用 Agilent B1500A 半导体器件分析仪进行。对于光谱光响应测量，设备用来自超连续谱光源（SuperKExtreme EXW-4，NKT Photonics）的光纤耦合和光谱过滤光进行照明。响应率和时间响应时间是在由 Agilent A33220A 波形发生器控制的四通道激光器发出的波长为 635 或 1310 nm 的短脉冲光下测量的。使用安捷伦系统 (Agilent B1500A) 在与光学测量完全相同的条件下（相同的V g和V sd）以 50 Hz 的采样率测量了多个暗电流迹线。通过计算暗电流迹线的傅里叶变换获得噪声谱密度。由于在 1 Hz 的光调制频率下测量光电流和响应度，因此提取 1 Hz 下的噪声电流谱密度以计算相应的探测率D* (1 Hz)。
咨询电话: 17766428931·迈塔光电售前及测试专员(微信同号)。
