在近红外（NIR）和短波红外（SWIR）波段，传统的硅基图像传感器灵敏度表现欠佳，而诸如深度测量和多光谱成像等新应用对在该波段高效传感的图像传感器的需求极为迫切。胶体量子点（CQD）技术凭借其在激子峰处具有高量子效率且支持高分辨率成像的特性，成为应对这些新应用需求的极具潜力的候选方案。
据麦姆斯咨询报道，近日，意法半导体（STMicroelectronics）与法国图卢兹大学（University of Toulouse）组成的研究团队提出了一种用于表征设计和制造胶体量子点光电二极管的电学行为的电学模型。借助该模型，研究人员探索一种收集空穴而非电子的新架构。这种架构可以借由电场实现对胶体量子点薄膜内部的电荷收集的精确控制。该特性不仅能够实现全局快门功能，还可以对来自多个光电二极管的电荷合并（charge binning）操作，或者结合不同类型的像素电路交替驱动两个物理交错的光电二极管阵列。这些工作模式极大地扩展了胶体量子点图像传感器在各类应用中的潜力。这项研究成果以“Global Shutter and Charge Binning With Quantum Dots Photodiode Arrays for NIR Imaging”为题发表在IEEE Journal of the Electron Devices Society期刊上。
胶体量子点光电二极管中的光敏层由半导体纳米晶体构成，在针对红外应用时，胶体量子点光敏层主要由PbS、InAs、InSb或HgTe制成，并嵌入有机或无机配体基质。通过工程化的化学合成条件调控纳米颗粒直径，可以精确调节胶体量子点带隙以及与第一1Sh-1Se跃迁对应的胶体量子点吸收峰，进而匹配红外波段的特定波长。
图1 胶体量子点薄膜的特性概述
图2a展示了这项研究制备的收集电子的胶体量子点光电二极管，图2b为其示意图，图2c展示了胶体量子点光电二极管的制造工艺流程。研究人员对该器件进行了全面表征以提取物理参数，并验证了基于技术计算机辅助设计（TCAD）的器件模型。
图2 胶体量子点光电二极管、结构及其制造工艺流程
接着，为实现能带结构工程，研究人员探索了一种收集空穴的架构。该光电二极管的新架构如图3a所示，其核心在于将光电二极管载流子传输层中的电子传输层（ETL）与空穴传输层（HTL）倒置。这种层倒置会带来两个工艺集成难题：（1）HTL/Cu与ETL/顶电极界面的存在取代了原有的HTL/顶电极与ETL/Cu电极；（2）胶体量子点薄膜上方的沉积层所需的热预算问题。随后，研究人员详细探讨了与胶体量子点薄膜或与ETL和HTL相关的各种物理参数对器件性能的影响。
图3 光电二极管新架构及其底部电极电压变化时的能带图
后续研究中，研究人员重点聚焦于展示将所有光生载流子导向特定偏置电极的可能性。图4a展示了这种新型胶体量子点薄膜光电二极管设计，该设计将两个具有不同分辨率和灵敏度的像素阵列交错排列，并提供了同时工作和交替工作两种工作模式。（1）在同时工作模式下，所有光电二极管都处于ON状态（导通状态），每个像素的光敏度与其底部电极静电控制的相对体积紧密相关。如果所有电极在曝光期间的首次偏压高于其穿透电压（reach-through voltage），然后突然降低偏压至低于其穿透电压，便可同时阻断所有底部电极，进而实现全局快门功能。（2）在交替工作（如图4b）模式下，第一像素阵列（像素A）的所有底部电极收集全部电荷，而与第二像素阵列（像素B）相关的底部电极则处于阻断状态。
图4 新型胶体量子点薄膜光电二极管工作原理示意图
综上所述，这项研究首先回顾了胶体量子点薄膜的物理特性，并介绍了使用TCAD软件中的现有物理模型来模拟胶体量子点光电二极管的性能。接着，该研究提出了一种收集空穴而非电子的光电二极管架构。这种新架构通过将光电二极管载流子传输层ETL与HTL倒置来实现优化。随后，该研究阐述了增强这些势垒的方法，以便为光电二极管在反向模式下的工作构建OFF状态（关断状态）。最后，该研究进行了模拟演示，证实了利用这种OFF状态以及通过能带工程获得的底部电极空穴的静电阻断能力，既能通过同时关闭所有光电二极管来实现全局快门功能，还可交替操作具有不同分辨率或电路的两个像素阵列。此外，该研究能够通过仅在特定电极上收集电荷来实现像素合并（pixel binning），从而在降低分辨率的同时提高灵敏度。
论文链接：
https://doi.org/10.1109/JEDS.2024.3489672
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