红外探伤器平常欺诈于夜视、工业检测和科学仪器等畛域。现在，主流的中波红外（MWIR）探伤器依赖于HgCdTe、InSb和II类超晶格等外延半导体。这些器件性能优异，具备配景限红外光电探伤（BLIP）才能，热贤达度高，噪声等效温差（NETD）可低至10 mK以下。关联词，窄带隙光子探伤器性能受到其高暗电流的截止，为终了高贤达探伤，中波红外探伤器不息需要在低温（80 K）下使命。而关于低资本、紧凑型红外成像系统而言，红外探伤器的室温或高温使命才能至关蹙迫。
据麦姆斯商量报说念，针对以上挑战，北京理工大学光电学院唐鑫素质团队开展了室温使命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，呈现出冲破且分离的能级。从表面上讲，三维能量量子化具有较少的态密度，因此可显赫减少热引发载流子浓度。更蹙迫的是，量子点薄膜可成功与硅读出电路（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名义走电流得以幸免。该团队初度研制了碲化汞量子点高温使命中波红外640 × 512焦平面阵列，终明显基于势垒异质结探伤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。通过配体处罚有用地钝化了碲化汞量子点的名义颓势，并提议由氧化锌（ZnO）和聚（3 - 己基噻吩 - 2,5 - 二基）（P3HT）/三氧化钼（MoO₃）组成能带工程界面势垒，在不影响光载流子传输遵守的前提下，相悖了暗电流的传输，比拟于原有同质结结构，暗电流大幅裁汰两个数目级。在室温零偏压下，反馈率、外量子遵守和探伤率分辨高达0.35 A/W、10.86%和1.26×10¹⁰ Jones。
磋议研究遵守以“Colloidal Quantum-Dot Heterojunction Imagers for Room-Temperature Thermal Imaging”为题发表于Advanced Materials期刊。论文第一作家为北京理工大学光电学院牟鸽助理素质、郑晓龙博士研究生，论文通信作家为瓮康康助理素质、唐鑫素质。磋议使命得到了中芯热成科技（北京）有限株连公司在读出电路策动、焦平面制备、器件封装及成像测试等方面的技艺相沿。
频年来，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伤器和焦平面阵列已得到旨趣及性能考据。2015年，碲化汞量子点的同质结探伤器在低温90 K下，以Ag₂Te纳米晶体行为p型掺杂剂，终明显配景限探伤性能。2018年，通过引入Ag₂Te纳米颗粒层的固态阳离子交换轨范，配景限探伤温度提高至140 K。2023年通过减小顶层电极串联电阻轨范，在碲化汞量子点探伤器体系中终明显150 K配景限探伤温度。尽管在低温下碲化汞量子点探伤器性能优异，然而其室温或高温使命性能仍过期于表面预期。早期使命东要聚首于擢升量子点移动率或掺杂浓度，此类轨范可擢升器件反馈度及量子遵守，然而因为碲化汞量子点名义不成幸免地存在颓势态，基于同质结能带结构的光伏探伤器在滥用区受隧穿电流及Shockley-Hall-Read（SHR）复合影响严重，且随掺杂浓度擢升或载流子移动率加多而恶化，导致暗电流较大，无法用于焦平面阵列制备。此外，迪士尼彩乐园三代理同质结器件架构下空间掺杂散布的精确规矩挑战极大，导致所制备焦平面阵列反馈非均匀性较差。因此，需要制定新的器件构建战略，通过钝化碲化汞量子点名义和策动能带势垒异质结架构，充分表现量子点冲破能级上风，确立高温或室温下使命的碲化汞量子点的中波红外焦平面阵列。
能带结构策动及势垒型探伤器使命机制
能带工程界面势垒中波红外量子点探伤器包括氧化铟锡（ITO）电极、ZnO电子传输层、经溴化汞（HgBr₂）处罚的HgTe量子点 中波红外明锐层、P3HT/MoO₃空穴传输层和银（Ag）顶部往来层。势垒异质结架构不错幸免滥用区产生隧穿电流。与光电导型和渐变p-i-n同质结光伏量子点探伤器比拟，具有电子/空穴传输层（空穴/电子相悖层）的势垒异质结光伏量子点探伤器可相悖隧穿电流，并提高光载流子传输遵守。收货于HgTe量子点的名义钝化处罚和能带工程界面势垒，基于量子点的探伤器的上风得以充分表现，终明显高贤达度和高使命温度。
图1 势垒型量子点中波红外器件使命机制与策动优化。a 具有能带工程界面势垒的中波红外量子点探伤器架构走漏图；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伤器（iii）使命机制图；e 具有能带工程界面势垒的中波红外量子点探伤器的能带结构，Wf、Ef、ECBM和EVBM分辨对应功函数、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考据
研究东说念主员使用单像素扫描成像系统对探伤器性能进行展示。基于HgTe-Ag₂Te同质结中波红外探伤器的成像效果，会跟着使命温度的升高而急剧下跌，在300 K使命温度下很难成像。关于使用P3HT行为空穴传输层的异质结中波红外量子点探伤器，即使在室温使命温度下，电烙铁的成像如故颠倒清醒。在调换的使命温度下，异质结探伤器的成像效果均优于同质结探伤器。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，不错取得探伤器测量区域每个点的光电流反馈。同质结HgTe-Ag₂Te探伤器的光电流映射暴表现较差的均匀性，这标明Ag⁺离子掺杂剂存在严重的空间不均匀性和扩散不成控性。与同质结HgTe-Ag₂Te探伤器比拟，势垒异质结HgTe-P3HT探伤器暴表现更高的信噪等到均匀性，这故意于终了具有高性能HgTe量子点焦平面阵列成像。
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图2 势垒型中波探伤器及同质结中波量子点探伤器性能对比。a 单像素扫描成像系统走漏图，以及不同使命温度下，同质结HgTe-Ag₂Te和势垒异质结HgTe-P3HT探伤器的对比热成像；b 光电流映射测量走漏图；c 同质结 HgTe-Ag₂Te探伤器的光电流映射特色；d 势垒异质结HgTe-P3HT探伤器的光电流映射特色。
势垒型量子点中波红外焦平面阵列成像性能考据
势垒异质结架构与硅读出电路都备兼容，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。能带工程异质结设立幸免了不均匀且不成控的掺杂进程，使焦平面阵列大要以光伏形态使命。积分时分约为10 ms时，NETD达到最低值25 mK。由于优异的NETD性能，热成像能清醒暴露东说念主手上的静脉细节。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雷同，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 具有势垒异质结设立的焦平面阵列和斯特林制冷机；b 不同使命温度下势垒异质结探伤器的光反馈光谱；c 200 K使命温度下，势垒异质结焦平面阵列NETD与积分时分的关联弧线，插图：80 K使命温度下势垒异质结焦平面阵列拿获热图像；d 200 K使命温度下，势垒异质结 焦平面阵列像素的反馈电压散布直方图和反馈电压映射图（f）；e 200 K使命温度下迪士尼彩乐园哪个网站，势垒异质结焦平面阵列每个像素的噪声电压散布直方图和噪声电压映射图（g）；h 80 K、200 K和250 K不同使命温度下势垒异质结焦平面阵列热成像；i 80 K使命温度下，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。