用于快速灵敏短波红外光电探测器的环保InSb/InP胶体量子点

激光雷达、移动设备的3D成像、汽车和增强/虚拟现实或用于监控的夜视等应用依赖于短波红外（SWIR）光电探测器的开发。这些设备能够在我们眼睛看不见的光谱区域进行观察，因为它们在1-2µm的光谱窗口中工作

SWIR光传感器行业多年来一直以外延技术为主，主要基于砷化铟镓（InGaAs）器件。然而，高生产成本、低规模可制造性和与CMOS不兼容等因素将外延技术限制在利基市场和军事市场

相反，由胶体量子点（CQD）制成的SWIR光电探测器是一种纳米级半导体材料，近年来由于其吸引人的特性，如低成本和与CMOS架构的兼容性等，其潜力引起了人们的极大兴趣

虽然CQD正在成为InGaAs基器件的竞争对手技术，但重要的是要澄清当前基于CQD的SWIR光电探测器使用铅（Pb）和汞（Hg）硫属化物等成分。这两种元素都受欧洲有害物质限制指令（RoHS）的约束，该指令规定了它们在商业消费者应用中的使用

由于这一监管框架，迫切需要开发基于环保、无重金属CQD的SWIR光传感器

锑化铟（InSb）CQD在提供高性能和稳定性器件方面具有巨大潜力。此外，由于体InSb的低带隙，它们符合RoHS标准，可以访问整个SWIR范围。然而，到目前为止，由于InSb具有最强的共价性质，并且缺乏高反应性的前体，其合成已被证明是具有挑战性的。此外，先前的研究已经报道，由于Sb的强氧化倾向，InSb CQD在暴露于空气时是不稳定的

在ACS Nano上发表的一项研究中，ICFO的彭路成、王永杰、任玉荣、王卓然的研究人员，由ICFO的ICREA教授Gerasimos Konstantatos领导，与Erns Ruska电子显微镜和光谱学中心的曹鹏飞合作，描述了一种合成无砷InSb CQD的新方法，该方法可进入SWIR范围

他们的方法包括设计合成量子点的InSb/InP核壳结构，用于制造快速响应和高灵敏度的SWIR光电探测器

在这项新研究中，研究人员开发了一种新的合成工艺，通过使用商用化学前体生产具有尺寸均匀性的高质量宽光谱可调谐InSb量子点，克服了以前策略所遇到的一些障碍，包括具有挑战性的合成工艺和高表面缺陷密度

在他们的研究中，研究人员采用了“单一来源方法”，使用连续的前体注射过程，而不是热注射选项。该策略是获得InSb CQD的关键，InSb CQD具有良好控制的尺寸分布和在非常宽的光谱范围（900nm至1750nm）上的明显吸收

通过使用范围从220ºC到250ºC的反应温度，他们能够控制所得溶液处理薄膜中的点的位置。研究人员表示：“由此产生的从近红外到短波红外的光谱可调谐性，即从900 nm到1750 nm，是迄今为止InSb CQD的最大可调谐性。”

他们用透射电子显微镜（TEM）技术观察了处理后的CQD样品，并证实这些点的平均尺寸为2.4 nm、3.0 nm、3.5 nm、5.8 nm和7.0 nm，能够吸收不同的波长

研究人员还对InSb CQD的表面进行了表征，因为众所周知，它对CQD材料的光电性能至关重要。他们使用X射线光电子能谱研究了与表面未钝化的Sb悬挂键相关的Sb的氧化态，并可以证实在未保护的表面上形成了Sb氧化物

他们研究的下一步是开发一种钝化策略来覆盖所获得的InSb CQD，从而形成一个外壳来保护QCD免受氧化。用三氯化铟（InCl3）对InSbQCDs的表面进行了处理。这通过在纯化过程的以下步骤中减少缺陷并同时提高CQD的胶体稳定性来保护Sb的表面悬挂键

随后，研究人员在纯化的InSb CQD上生长了一层厚度较薄的磷化铟（InP）保护壳。他们使用油酸铟和膦甲硅烷基酰胺作为前体来生成外壳。这导致InSb CQD的吸收光谱发生显著的红移。随后通过光致发光光谱分析证实了InSb/InP核壳结构

“InSb/InP核壳结构意味着在原始材料（在这种情况下，InSb）的表面上生长另一种材料（在本例中，InP）与InSb相比，InP是一种更宽的带隙材料，它可以充分钝化InSb的表面陷阱，这在光电子器件中是有害的。此外，Sb元素对氧非常敏感，因此核壳结构可以大大提高材料的空气稳定性，”ICFO研究员、该研究的第一作者Lucheng Peng解释道。

制造更快、更灵敏的光电探测器

第一步完成后，研究人员开始使用优化的InSb/InP核壳CQD制造低温、高速SWIR光电探测器