面向近红外成像的硫化铅量子点光电二极管研究

Lead sulfide quantum dot (PbS QD) photodetectors are expected to integrate with CMOS to achieve low-cost, high-quality near-infrared imaging due to their low temperature solution processability and excellent near-infrared performance. Based on the preliminary work on PbS QD photodetectors of the applicant and the research group, this project conduct the study on PbS QD photodiodes for near-infrared imaging. When integrated with CMOS, PbS QD photodiodes have two major bottlenecks: i) high defect concentration results in large-size (absorption peak >1300 nm) PbS QD devices with too high dark current; ii) alternative single PN-junction PbS QD devices could not realize global shutter through the control of CMOS sequential circuit, which is detrimental for dynamic imaging. Applicant intends to design specific liquid-phase ligand exchange for large-size PbS QD according to the surface Pb/S ratio, and adopt mixed anion-cation ligands to passivate defects and reduce dark current; construct double PN-junction NPN structure PbS QD device and utilize its bipolar nature to achieve "shutter-detection integration". This project lays a solid foundation for the development of PbS QD/CMOS near-infrared imaging chips.

硫化铅量子点（PbS QD）光电探测器由于其低温溶液加工性及优异近红外性能，有望与CMOS集成实现低成本、高质量近红外成像。本项目基于申请人及所在课题组在PbS QD光电探测器方面的前期工作，开展面向近红外成像的PbS QD光电二极管研究。PbS QD光电二极管与 CMOS集成有两大瓶颈：i）高缺陷浓度导致大尺寸（吸收峰>1300 nm）PbS QD器件的暗电流过高；ii）仅有的单PN结PbS QD器件无法通过CMOS时序电路调控实现全局快门，不利于动态成像。申请人拟根据PbS QD表面Pb/S比随尺寸变化规律设计针对大尺寸PbS QD特异性液相配体交换，通过混合阴阳离子配体钝化缺陷，降低器件暗电流；构筑双PN结的NPN结构PbS QD器件，利用其双极性特性，实现“快门-探测一体化”。本项目为开发PbS QD/CMOS近红外成像芯片打下坚实基础。

硫化铅量子点（PbS QD）作为新一代红外光电材料，由于其制备工艺与CMOS兼容以及红外探测性能优异的特点，展现了替代硅基像元阵列、实现近红外波段全覆盖成像的潜力。然而PbS QD/CMOS集成技术目前瓶颈为大尺寸（吸收峰>1300 nm）PbS QD光电二极管暗电流过高以及无法满足全局快门。本项目核心目标为设计出适合不同尺寸PbS QD的液相钝化方案以降低器件暗电流、制备出NPN结构PbS QD光电二极管以满足全局快门的要求。本项目从以下几个方面开展工作并取得如下成果：（1）量子点表面电子和缺陷性质的理论计算，总结了PbS量子点陷阱态来源和成因，为液相钝化策略提供了理论基础；（2）量子点液相钝化策略的研究，探索了多种配体的钝化作用，如混合卤素配体、4-氨基甲基吡啶（4-AMPY）、1-乙基-3-甲基咪唑碘化物（EMII）、CsPbIxBr3-x钙钛矿、三苯基氧膦（TPPO）、聚酰亚胺（PI），团队也深入研究了这些配体的作用机制，实验结果证明这些配体可以改善QD表面钝化并降低暗电流。另外在钝化策略研究的基础上，团队制备了PbS QD/CMOS读出电路一体化集成的红外成像阵列，阵列大小为640×512像素，在调制传递函数为50%的情况下具有40线对/毫米的空间分辨率，并可用于静脉成像和物质识别；（3）NPN结构PbS QD光电二极管的制备，发展了基于n-Si/p-Si/n-QD的红外光电器件结构，通过模拟仿真获取了每一层最优的掺杂浓度、厚度等参数，所制备的器件在1300 nm下的外量子效率达到7%，实现硅基二极管的红外拓展。.本项目研究期间发表多篇高水平论文，包括1篇Nature Electronics，1篇Nature Photonics，1篇ACS Photonics，1篇Solar Energy Materials and Solar Cells，1篇Advanced Functional Materials，1篇Physical Review Applied，1篇Nano Research；授权中国发明专利2项，公开中国发明专利18项。