红外探测器广泛应用于夜视、工业检测和科学仪器等领域。目前，主流的中波红外（MWIR）探测器依赖于HgCdTe、InSb和II类超晶格等外延半导体。这些器件性能优异，具备背景限红外光电探测（BLIP）能力，热灵敏度高，噪声等效温差（NETD）可低至10 mK以下。然而，窄带隙光子探测器性能受到其高暗电流的限制，为实现高灵敏探测，中波红外探测器往往需要在低温（80 K）下工作。而对于低成本、紧凑型红外成像系统而言，红外探测器的室温或高温工作能力至关重要。
据麦姆斯咨询报道，针对以上挑战，北京理工大学光电学院唐鑫教授团队开展了室温工作势垒型异质结中波红外量子点焦平面阵列研究。胶体量子点（CQD）由于量子限域效应，呈现出离散且分离的能级。从理论上讲，三维能量量子化具有较少的态密度，因此可显著减少热激发载流子浓度。更重要的是，量子点薄膜可直接与硅读出电路（ROIC）集成，无需进行像素化工艺。因此，传统体半导体红外焦平面阵列中因像素化蚀刻引起的表面漏电流得以避免。该团队首次研制了碲化汞量子点高温工作中波红外640 × 512焦平面阵列，实现了基于势垒异质结探测器的单像素扫描室温中波红外成像，以及250 K温度以上的焦平面阵列热成像。通过配体处理有效地钝化了碲化汞量子点的表面缺陷，并提出由氧化锌（ZnO）和聚（3 - 己基噻吩 - 2,5 - 二基）（P3HT）/三氧化钼（MoO₃）构成能带工程界面势垒，在不影响光载流子传输效率的前提下，阻挡了暗电流的传输，相比于原有同质结结构，暗电流大幅降低两个数量级。在室温零偏压下，响应率、外量子效率和探测率分别高达0.35 A/W、10.86%和1.26×10¹⁰ Jones。
相关研究成果以“Colloidal Quantum-Dot Heterojunction Imagers for Room-Temperature Thermal Imaging”为题发表于Advanced Materials期刊。论文第一作者为北京理工大学光电学院牟鸽助理教授、郑晓龙博士研究生，论文通讯作者为瓮康康助理教授、唐鑫教授。相关工作得到了中芯热成科技（北京）有限责任公司在读出电路设计、焦平面制备、器件封装及成像测试等方面的技术支持。
近年来，碲化汞（HgTe）量子点取得了稳步进展，碲化汞量子点中波红外光电探测器和焦平面阵列已得到原理及性能验证。2015年，碲化汞量子点的同质结探测器在低温90 K下，以Ag₂Te纳米晶体作为p型掺杂剂，实现了背景限探测性能。2018年，通过引入Ag₂Te纳米颗粒层的固态阳离子交换方法，背景限探测温度提高至140 K。2023年通过减小顶层电极串联电阻方法，在碲化汞量子点探测器体系中实现了150 K背景限探测温度。尽管在低温下碲化汞量子点探测器性能优异，但是其室温或高温工作性能仍落后于理论预期。早期工作主要集中于提升量子点迁移率或掺杂浓度，此类方法可提升器件响应度及量子效率，但是因为碲化汞量子点表面不可避免地存在缺陷态，基于同质结能带结构的光伏探测器在耗尽区受隧穿电流及Shockley-Hall-Read（SHR）复合影响严重，且随掺杂浓度提升或载流子迁移率增加而恶化，导致暗电流较大，无法用于焦平面阵列制备。此外，同质结器件架构下空间掺杂分布的精准控制挑战极大，导致所制备焦平面阵列响应非均匀性较差。因此，需要制定新的器件构建策略，通过钝化碲化汞量子点表面和设计能带势垒异质结架构，充分发挥量子点离散能级优势，开发高温或室温下工作的碲化汞量子点的中波红外焦平面阵列。
能带结构设计及势垒型探测器工作机制
能带工程界面势垒中波红外量子点探测器包括氧化铟锡（ITO）电极、ZnO电子传输层、经溴化汞（HgBr₂）处理的HgTe量子点 中波红外敏感层、P3HT/MoO₃空穴传输层和银（Ag）顶部接触层。势垒异质结架构可以避免耗尽区产生隧穿电流。与光电导型和渐变p-i-n同质结光伏量子点探测器相比，具有电子/空穴传输层（空穴/电子阻挡层）的势垒异质结光伏量子点探测器可阻挡隧穿电流，并提高光载流子传输效率。得益于HgTe量子点的表面钝化处理和能带工程界面势垒，基于量子点的探测器的优势得以充分发挥，实现了高灵敏度和高工作温度。
图1 势垒型量子点中波红外器件工作机制与设计优化。a 具有能带工程界面势垒的中波红外量子点探测器架构示意图；b 横截面透射电子显微镜图像，标尺为100 nm；c HgTe量子点从短波红外到中波红外区域的Tauc图；d 光导型（i）、p-i-n同质结光伏（ii）和势垒异质结光伏量子点探测器（iii）工作机制图；e 具有能带工程界面势垒的中波红外量子点探测器的能带结构，Wf、Ef、ECBM和EVBM分别对应功函数、费米能级、导带最小值和价带最大值。
单像素扫描中波红外热成像性能验证
研究人员使用单像素扫描成像系统对探测器性能进行展示。基于HgTe-Ag₂Te同质结中波红外探测器的成像效果，会随着工作温度的升高而急剧下降，在300 K工作温度下很难成像。对于使用P3HT作为空穴传输层的异质结中波红外量子点探测器，即使在室温工作温度下，电烙铁的成像依然非常清晰。在相同的工作温度下，异质结探测器的成像效果均优于同质结探测器。使用激光光源并通过x-y位移台逐点扫描进行光电流映射测量，可以获得探测器测量区域每个点的光电流响应。同质结HgTe-Ag₂Te探测器的光电流映射显示出较差的均匀性，这表明Ag⁺离子掺杂剂存在严重的空间不均匀性和扩散不可控性。与同质结HgTe-Ag₂Te探测器相比，势垒异质结HgTe-P3HT探测器显示出更高的信噪比及均匀性，这有利于实现具有高性能HgTe量子点焦平面阵列成像。
图2 势垒型中波探测器及同质结中波量子点探测器性能对比。a 单像素扫描成像系统示意图，以及不同工作温度下，同质结HgTe-Ag₂Te和势垒异质结HgTe-P3HT探测器的对比热成像；b 光电流映射测量示意图；c 同质结 HgTe-Ag₂Te探测器的光电流映射特性；d 势垒异质结HgTe-P3HT探测器的光电流映射特性。
势垒型量子点中波红外焦平面阵列成像性能验证
势垒异质结架构与硅读出电路完全兼容，制备了像素为640 × 512、像素间距为15 μm的中波红外量子点焦平面阵列。能带工程异质结配置避免了不均匀且不可控的掺杂过程，使焦平面阵列能够以光伏模式工作。积分时间约为10 ms时，NETD达到最低值25 mK。由于优异的NETD性能，热成像能清晰显示人手上的静脉细节。势垒异质结胶体量子点中波红外焦平面阵列的成像效果与氧化钒非制冷长波红外（LWIR）焦平面阵列和II类超晶格中波红外焦平面阵列相似，达到了商用器件性能水平。
图3 热成像中波红外焦平面阵列成像。a 具有势垒异质结配置的焦平面阵列和斯特林制冷机；b 不同工作温度下势垒异质结探测器的光响应光谱；c 200 K工作温度下，势垒异质结焦平面阵列NETD与积分时间的关系曲线，插图：80 K工作温度下势垒异质结焦平面阵列捕获热图像；d 200 K工作温度下，势垒异质结 焦平面阵列像素的响应电压分布直方图和响应电压映射图（f）；e 200 K工作温度下，势垒异质结焦平面阵列每个像素的噪声电压分布直方图和噪声电压映射图（g）；h 80 K、200 K和250 K不同工作温度下势垒异质结焦平面阵列热成像；i 80 K工作温度下，640 × 512氧化钒非制冷长波红外焦平面阵列（InfraRay，M320）、640 × 512 II类超晶格中波红外焦平面阵列（TUOGAN，6515M）和640 × 512势垒异质结量子点中波红外焦平面阵列成像效果的对比。
https://doi.org/10.1002/adma.202416877
延伸阅读：
《苹果在量子点光电传感器领域的发明专利与产业布局分析》
《量子点光电传感器专利态势分析-2024版》
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《汽车红外摄像头技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》
《量子点材料技术及市场-2023版》
