利用胶体量子点集成纳米天线,实现更低成本的红外探测

MEMS 2024-04-18 00:01
胶体量子点(CQD)近年来在中红外光探测领域表现出广阔的发展前景,其中,碲化汞(HgTe)胶体量子点有望取代外延生长材料在红外探测和成像上的应用。然而,由于光搜集效率低、背景噪声高限制了相关光电导型器件的发展。

据麦姆斯咨询报道,美国芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所的Philippe Guyot-Sionnest实验室报道了一种利用金属/绝缘体/金属(MIM)结构的金属纳米天线来提升碲化汞CQD薄膜的光学特性,在室温下使器件探测率接近背景极限,实现高比探测率的非制冷型中红外光探测器,相关工作发表于ACS Nano期刊。

纳米天线结构设计

研究人员通过设计合理的MIM谐振结构来增强碲化汞CQD薄膜的光学吸收,图1a所示为器件结构示意图,其中,最下层的金作为背底反射器,起到增加光吸收的作用;氧化硅为1/4波长调制层,赋予器件结构光谱选择特性;碲化汞胶体量子点为主体吸光半导体层。得益于插指电极能一定程度上破坏纳米天线的对称性,该结构的光吸收还表现出偏振相关性。结果显示,将80 nm厚的碲化汞胶体量子点吸光层薄膜沉积在刻有MIM纳米天线衬底,所设计的结构对水平偏振光的总吸收在2550 cm⁻¹处能达到60%,相较于未设计微结构的对照器件,吸收提升了近23倍(图1b-d)。图1e是MIM结构中电场分布的仿真结果,由于纳米天线对电磁场强烈的空间限域,绝大部分的吸收增强发生在天线附近,且集中在上方半导体薄膜,这有利于在实验中通过减少光活性材料的体积,进而降低光电探测器的热噪声。

图1 MIM谐振结构示意图与相应的光场仿真结果

MIM结构的光电导型中红外探测器

实验采用对碲化汞CQD薄膜通过硫离子表面处理的方法来减少薄膜固有的n掺杂,来进一步减少器件的电学噪声。得益于纳米天线结构带来对光吸收的增强,器件的光谱响应度测试结果与MIM的仿真预测共振特性相匹配,所制备的光电导型中红外探测器相较于对照结构在2650 cm¹处水平偏振光的响应度提升了近19倍。研究人员进一步对器件的噪声谱密度进行分析,表明器件的噪声来源于1/f噪声和白噪声,并揭示该光电导型器件的白噪声主要来源为产生-复合噪声与琼斯噪声。

图2 MIM光电探测器的SEM图像和光电性能
最终,得益于较低的噪声功率与较高的器件响应度,所设计的MIM结构中红外光电导型探测器件在2650 cm¹处展现出9×10⁹ Jones的比探测率,优于标准热电探测器40倍。研究人员发现,除了提升器件性能,MIM谐振结构还能通过光-物质耦合提高CQD薄膜的光致发光特性,其空间平均光致发光强度增加了16倍(2555 cm¹),这表明纳米结构周围的辐射复合得到了更大的增强。这种快速、灵敏和具有光谱选择性的中红外胶体量子点探测器的潜在应用有望改进低成本的气体传感技术,实现更便宜的非制冷中红外探测。
图3 MIM结构的光电导型中红外探测器噪声特性与探测率分析
图4 MIM结构的光致发光测量结果

论文链接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12581

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