高性能寬帶光電探測(cè)器（PD）在各種軍事和民用應(yīng)用中至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)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(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本工作提出了一種具有寬帶響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的高性能非制冷近紅外PD，該P(yáng)D由PbS量子點(diǎn)（QDs）/三維石墨烯（3D石墨烯）/Si異質(zhì)結(jié)集成。納米結(jié)構(gòu)（3D石墨烯）和界面工程（PbS量子點(diǎn)）在硅上的結(jié)合有效地調(diào)節(jié)載流子傳輸，優(yōu)化光吸收，并提高光伏轉(zhuǎn)換效率。所提出的硅基PD的檢測(cè)范圍可以擴(kuò)展到2200nm。即使在該波長(zhǎng)下，該器件也表現(xiàn)出高探測(cè)率（6.8×10
10Jones）和高響應(yīng)率（5.2×10
4mA/W）。此外，該器件表現(xiàn)出令人滿意的再現(xiàn)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在光學(xué)邏輯門(mén)電路和紅外成像應(yīng)用中具有重要前景。這項(xiàng)研究釋放了硅在近紅外檢測(cè)中的全部潛力，并強(qiáng)調(diào)了其在下一代近紅外成像和集成電路開(kāi)發(fā)中的巨大潛力。
圖1. （a） PbS量子點(diǎn)/3D石墨烯/Si的SEM圖像。插圖顯示了PbS量子點(diǎn)的高分辨率TEM圖像。（d，e）分別為PbS量子點(diǎn)/3D石墨烯/Si的橫截面EDS元素圖和C、Si、S和Pb的EDS圖結(jié)果。（f） 3D石墨烯與PbS量子點(diǎn)集成前后的XPS比較圖。PbS量子點(diǎn)/3D石墨烯結(jié)構(gòu)在三維中的歸一化功率損耗密度分布（g）和歸一化電場(chǎng)分布（h）。（i） 橫截面的歸一化電場(chǎng)分布。
圖2. （a，b）3D石墨烯/Si橫截面處的形態(tài)和電勢(shì)圖的同時(shí)測(cè)量。（c） 等值線圖，說(shuō)明垂直方向上的高度和電位分布，對(duì)應(yīng)于部分（a）和（b）。（d，e）在PbS量子點(diǎn)/3D石墨烯/Si橫截面處的共形和電勢(shì)圖的同時(shí)測(cè)量。（f） 描繪垂直方向上高度和電位分布的等高線圖，對(duì)應(yīng)于圖（d）和（e）。
圖3. 3D石墨烯/Si異質(zhì)結(jié)在黑暗中（a）和在光下（b）的表面電勢(shì)。（c） 由（a）和（b）得出的表面電位變化。PbS量子點(diǎn)/3D石墨烯/Si異質(zhì)結(jié)在黑暗（d）和光照（e）下的表面電勢(shì)。（f） 由（d）和（e）得出的表面電位變化。（g） PbS量子點(diǎn)/3D石墨烯/Si模型的側(cè)視圖。（h） PbS量子點(diǎn)和3D石墨烯/Si的電荷分布的頂視圖。
圖4. 用PbS量子點(diǎn)修飾前后異質(zhì)結(jié)的瞬態(tài)光電流衰減曲線（a）和頻率相關(guān)噪聲電流（b）。（c） I–V曲線在相同的光強(qiáng)度下但在不同的波長(zhǎng)下。（d） 相同波長(zhǎng)下不同旋涂速度的I–V曲線。（e） 不同旋涂速度的光電流統(tǒng)計(jì)圖。（f） 光電流振幅在不同調(diào)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(zhǎng)照明下的響應(yīng)特性。（h） 在2200nm波長(zhǎng)照明下，PD對(duì)具有不同調(diào)制頻率的光的響應(yīng)。（i） 2200 nm波長(zhǎng)照明下PD的上升/下降時(shí)間。
圖5.（a）在1850和2200 nm處，V=0 V時(shí)PD的光學(xué)響應(yīng)。（b）和（c）雙頻帶光電邏輯門(mén)的I–T曲線。插圖描繪了“OR”和“and”門(mén)的電路圖。（d） 基于單像素的紅外成像系統(tǒng)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(jié)果。
相關(guān)研究成果由上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
