高性能宽带光电探测器（PD）在各种军事和民用应用中至关重要。然而，传统的近红外（NIR）PD仍然面临一些不可避免的自身限制，例如硅（Si）的有限光吸收范围和InGaAs的大面积阵列问题。为了应对这些挑战，本工作提出了一种具有宽带响应和长期稳定性的高性能非制冷近红外PD，该PD由PbS量子点（QDs）/三维石墨烯（3D石墨烯）/Si异质结集成。纳米结构（3D石墨烯）和界面工程（PbS量子点）在硅上的结合有效地调节载流子传输，优化光吸收，并提高光伏转换效率。所提出的硅基PD的检测范围可以扩展到2200nm。即使在该波长下，该器件也表现出高探测率（6.8×1010Jones）和高响应率（5.2×104mA/W）。此外，该器件表现出令人满意的再现性和长期稳定性，在光学逻辑门电路和红外成像应用中具有重要前景。这项研究释放了硅在近红外检测中的全部潜力，并强调了其在下一代近红外成像和集成电路开发中的巨大潜力。
图1. （a） PbS量子点/3D石墨烯/Si的SEM图像。插图显示了PbS量子点的高分辨率TEM图像。（d，e）分别为PbS量子点/3D石墨烯/Si的横截面EDS元素图和C、Si、S和Pb的EDS图结果。（f） 3D石墨烯与PbS量子点集成前后的XPS比较图。PbS量子点/3D石墨烯结构在三维中的归一化功率损耗密度分布（g）和归一化电场分布（h）。（i） 横截面的归一化电场分布。
图2. （a，b）3D石墨烯/Si横截面处的形态和电势图的同时测量。（c） 等值线图，说明垂直方向上的高度和电位分布，对应于部分（a）和（b）。（d，e）在PbS量子点/3D石墨烯/Si横截面处的共形和电势图的同时测量。（f） 描绘垂直方向上高度和电位分布的等高线图，对应于图（d）和（e）。
图3. 3D石墨烯/Si异质结在黑暗中（a）和在光下（b）的表面电势。（c） 由（a）和（b）得出的表面电位变化。PbS量子点/3D石墨烯/Si异质结在黑暗（d）和光照（e）下的表面电势。（f） 由（d）和（e）得出的表面电位变化。（g） PbS量子点/3D石墨烯/Si模型的侧视图。（h） PbS量子点和3D石墨烯/Si的电荷分布的顶视图。
图4. 用PbS量子点修饰前后异质结的瞬态光电流衰减曲线（a）和频率相关噪声电流（b）。（c） I–V曲线在相同的光强度下但在不同的波长下。（d） 相同波长下不同旋涂速度的I–V曲线。（e） 不同旋涂速度的光电流统计图。（f） 光电流振幅在不同调制频率下衰减的特性。（g） PD在具有−1 V反向偏压的2200 nm波长照明下的响应特性。（h） 在2200nm波长照明下，PD对具有不同调制频率的光的响应。（i） 2200 nm波长照明下PD的上升/下降时间。
图5.（a）在1850和2200 nm处，V=0 V时PD的光学响应。（b）和（c）双频带光电逻辑门的I–T曲线。插图描绘了“OR”和“and”门的电路图。（d） 基于单像素的红外成像系统的示意图。（e） –（h）红外（980–2200 nm）照明下“熊猫”图案（230×230像素）的成像结果。
相关研究成果由上海微系统与信息技术研究所Li Zheng、Caichao Ye和Gang Wang等人2024年发表在ACS Photonics (链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01803)上。原文：Integration of PbS Quantum Dots with 3D-Graphene for Self-powered Broadband Photodetectors in Image Sensors
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