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HgTe量子点合成用油胺作为反应溶剂。在100 ℃条件下,将无机汞盐及单质碲分别溶解于油胺及三辛基膦中。在无水无氧环境中将其混合,通过控制反应时间,量子点尺寸可以得到精确控制,进而实现对响应波长的准确调节。图1所示为笔者实验所用HgTe量子点的透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)图片,其直径约8 nm。使用傅里叶红外光谱仪,可以对其吸收截止波长进行精准测量,室温下吸收截止波长约3.8 μm(图1)。图2所示为量子点室温和80 K下的响应光谱。在80 K工作温度下,量子点探测器的响应截止波长达到4.6 μm。
为了精确控制HgTe量子点的掺杂,可采用混合相配体交换法,包括液相配体交换、无机盐掺杂改性和固相配体交换。在液相配体交换过程中,HgTe量子点中需加入β-巯基乙醇取代原有的油胺配体。同时,HgTe量子点会从非极性的正己烷溶液转移到极性溶液N, N二甲基甲酰胺(N, N-Dimethylformamide, DMF)。然后,在量子点/DMF混合物中加入HgCl2或(NH4)2S,以进行电子或空穴掺杂,进而实现本征、n型、p型HgTe量子点的制备。
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HgTe中波红外探测器采用捕获模式光电探测器结构。器件结构及能带示意图如图3所示。
Figure 3. (a) Device structure diagram of trapping-mode photodetectors; (b) Energy band diagram of trapping-mode photodetectors
捕获型器件在本征量子点通道的顶部添加了n型重掺杂HgTe量子点作为电子陷阱层,进而在n型及本征层量子点界面处产生耗尽层,并在垂直方向产生内建电场。当入射光子被吸收后,产生光生电子及空穴。由于内建电场的存在,光生电子被驱动至n型量子点层附近,空穴被驱动至本征量子点层。在外加偏压作用下,空穴横向移动被电极收集,形成光电流。光生电子由于内建电场作用,被短暂捕获于n型量子点层内,使得空穴复合概率降低,产生了光电流增益。探测器中的每个像素包括一对电极,即像素电极及地电极。偏置电压施加在像素电极和地电极之间以产生横向电场来分离和驱动激活的空穴和电子。捕获型光电探测器将外部电场和内部电场结合在一起促进了载流子的移动和传输[15-16]。
HgTe量子点可与读出电路直接耦合,实现晶圆级探测器制备。将8 in的焦平面读出电路晶圆用丙酮进行清洗,旋涂本征型HgTe量子点溶液使其均匀地平铺在晶圆表面。通过多次旋涂,在本征型HgTe量子点薄膜厚度达到450 nm之后,旋涂50 nm厚度的n型HgTe量子点。最终,将8 in晶圆裁切成单独的成像器芯片。
如图4所示,将裁切出的成像芯片粘贴到PCB转接板上,并用铝线键合机进行线绑定引出信号,在液氮杜瓦瓶中进行降温测试,采用F数为2的冷屏屏蔽噪声信号。
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对捕获型红外焦平面探测器的性能进行定量分析,测试参数包括响应非均匀性、噪声电压、比探测率、有效像元率等。使用校准后的黑体作为激发光源,用反馈控制电路稳定黑体的温度。黑体的发射腔直径约为4 cm,成像仪与发射腔之间的距离约为25 cm。黑体辐射源辐照在焦平面探测器上的红外光可保证各个像元受到均匀辐照,图5(a)为探测器的响应分布图和统计直方图,由图中的颜色分布可知各个像素点的响应均匀。响应统计直方图横坐标为像素点的响应电压值,纵坐标为该响应电压值下的像素点个数。直方图的半高宽越窄说明探测器的像素点之间的响应越相近,实验结果表明量子点焦平面阵列器件的响应非均匀性低至3.42%。
Figure 5. (a) Response distribution diagram and response statistics histogram, (b) noise distribution diagram and noise statistics histogram, (c) detectivity distribution diagram and detectivity statistics histogram of photodetectors
探测器的噪声是衡量性能的重要指标,由出读出电路本身噪声和探测器像素点薄膜厚度的均匀性决定,晶圆级旋涂工艺提高了单片器件的薄膜厚度均匀性,也降低了器件噪声。由图5(b)可知探测器的噪声整体较低,在积分时间2 ms、器件偏压2.3 V时,平均噪声电压低至0.66 mV。图5(c)为探测器比探测率分布图,平均峰值比探测率约为2×1010 Jones。图6为探测器的盲元图,蓝色代表死像元,红色代表过热像元,有效像元率可达99.99%。
噪声等效温差(NETD)是红外热探测器不同于可见光探测器的主要指标之一,反映了探测器的温度灵敏性。将方形面源黑体采集探测器在20 ℃和35 ℃温度下的响应电压值,代入公式(1)计算探测器的平均噪声等效温差。
式中:M为像元总行数;N为像元总列数;d为死像元;h为过热像元;T为高的黑体温度;T0为低的黑体温度;Vs(i,j)为黑体温差下的响应电压值;VN(i,j)为低温下输出的电压值。图7为探测器积分时间与NETD的关系图,由于增加积分时间探测器的信噪比获得提升,NETD值不断减少,探测器的温度灵敏性增加。当积分时间增加至8 ms时,探测器的NETD为51.26 mK。
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捕获型中波红外探测器可进行红外热成像。图8(a)为50 ℃热水和200 ℃电烙铁的成像图。图8(b)从左到右分别为装有50、0、25 ℃水的水杯热成像图。图8(c)和(d)分别为人体热成像和手持手机的人体热成像图。
Figure 8. Thermal images of (a) 50 ℃ water and 200 ℃ soldering iron, (b) bottles with water at temperature of 50 ℃, 0 ℃ and 25 ℃ (from left to right); (c) human body and (d) human body with phones
如表1所示,文中所介绍中波HgTe量子点焦平面相比PbS及光导型HgTe中波焦平面,在探测波长及NETD等核心参数指标方面,具有领先优势。
Table 1. Device performance comparison between this work and the previous CQDs-based focus plane arrays
640×512 HgTe colloidal quantum-dot mid-wave infrared focal plane array (invited)
doi: 10.3788/IRLA20230377
- Received Date: 2023-06-25
- Rev Recd Date: 2023-07-12
- Available Online: 2023-07-14
- Publish Date: 2023-07-25
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Key words:
- infrared imaging technology /
- quantum-dot focal plane arrays /
- trapping-mode devices /
- mid-wave infrared /
- thermal imaging
Abstract: