激光雷达、移动设备3D成像、汽车和增强/虚拟现实或监控夜视等应用都依赖于短波红外(SWIR)光电探测器的开发。这些设备能够看到肉眼看不见的光谱区域，因为它们在1-2µm的光谱窗口中工作。

用于快速灵敏短波红外光电探测器的环保型InSb/InP胶体量子点

多年来，短波红外光传感器行业一直由外延技术主导，主要基于砷化铟镓(InGaAs)制成的器件。然而，高生产成本、低规模可制造性以及与CMOS不兼容等因素限制了外延技术仅限于利基市场和军事市场。

相比之下，由胶体量子点(CQD)(纳米级半导体材料)制成的短波红外光电探测器的潜力近年来引起了人们的极大兴趣，因为它们具有低成本和与CMOS架构兼容等吸引人的特点。

虽然CQD正在成为基于InGaAs的设备的竞争技术，但必须澄清的是，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。这两种元素均受欧洲有害物质限制(RoHS)指令的约束，该指令规范了它们在商业消费应用中的使用。

由于这一监管框架，迫切需要开发基于环保、无重金属CQD的短波红外光传感器。

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，它们符合RoHS标准，并且由于块状InSb的低带隙而可以覆盖整个短波红外范围。然而，由于InSb具有最强的共价性质并且缺乏高反应性前体，其合成迄今为止已被证明具有挑战性。此外，之前的研究表明，由于Sb具有很强的氧化倾向，InSbCQD在暴露于空气中时不稳定。

在《ACSNano》上发表的一项研究中，ICFO的研究人员LuChengPeng、YongjieWang、YurongRen、ZhuoranWang在ICFO的ICREA教授GerasimosKonstantatos的领导下，与ErnsRuska电子显微镜和光谱中心的PengfeiCao合作，描述了一种合成无砷InSbCQD的新方法，并且可以使用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，通过使用市售的化学前体来生产尺寸均匀的高质量宽光谱可调谐InSb量子点，克服了之前策略遇到的一些障碍，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“单源方法”，使用连续前驱体注入过程，而不是热注入选项。该策略是获得InSbCQD的关键，该InSbCQD具有良好控制的尺寸分布以及在很宽的光谱范围(900nm至1,750nm)内的明显吸收。

通过使用220°C至250°C的反应温度范围，他们能够控制所得溶液处理薄膜中点的位置。研究人员表示：“由此产生的从近红外到短波红外(即从900nm到1,750nm)的光谱可调性是迄今为止InSbCQD报道的最大光谱可调性。”

他们利用透射电子显微镜(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2.4nm、3.0nm、3.5nm、5.8nm和7.0nm，能够吸收不同的波长。

研究人员还对InSbCQD的表面进行了表征，因为众所周知，它对于CQD材料的光电特性至关重要。他们使用X射线光电子能谱研究与表面未钝化的Sb悬键相关的Sb氧化态，并且可以确认在未受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获得的InSbCQD，形成一个外壳以保护QCD免受氧化。InSbQCD的表面用三氯化铟(InCl3)处理。这通过减少缺陷并同时提高后续纯化过程步骤中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InSbCQD上生长了一层薄薄的磷化铟(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壳。这导致InSbCQD的吸收光谱发生显着的红移。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(本例中为InSb)表面生长另一种材料(本例中为InP)。与InSb相比，InP是一种更宽的带隙材料，可以充分钝化ICFO研究员、该论文的第一作者LuChengPeng解释道：“InSb的表面陷阱对光电器件有害。此外，Sb元素对氧非常敏感，因此核壳结构可以很大程度上提高材料的空气稳定性。”学习。

一旦实现了第一步，研究人员就开始使用优化的InSb/InP核壳CQD来制造低温、高速短波红外光电探测器。光传感器器件由多个堆叠层形成：氧化铟锡(ITO)基底、二氧化钛(TiO2)制成的电子传输层(ETL)、包含InSb/InPCQD的薄层和最终顶部层由金制成。

他们希望获得一种具有快速时间响应的光电探测器，以用于超出视频帧速率的应用，因此他们使用TiO2作为ETL，因为它的光化学稳定性。

然后测量所制造的光传感器的响应。正如作者所写，该光电探测器“展示了显着的特性，包括超过128dB的宽线性动态范围、1,240nm处的最大外量子效率(EQE)为25%(1,420nm处为12%)、70ns的快速光响应时间，比探测率高达4.4×1011Jones。”

研究人员证实，该设备在没有任何封装的情况下对大气条件具有很强的抵抗力。在暴露于周围环境两个月后，光电探测器保持了其性能。90小时后，该设备在露天运行时的稳定性也得到了验证，发现极其稳定。

“考虑到性能和稳定性，这是迄今为止基于InSb的最佳解决方案处理的CQDSWIR光电探测器，其品质因数可以为机器视觉、门控成像和3D传感应用提供高帧率光传感器，”ICREAICFOGerasimosKonstantatos教授。

“目前的研究不仅显示了InSbCQD作为一种不含重金属的活性材料用于短波红外光电探测器的巨大潜力，而且还为未来利用湿化学方法开发胶体InSb来制造高光探测器打开了大门。执行电子或光电设备，”康斯坦塔托斯总结道。

该团队目前正在研究如何进一步减少暗电流并提高基于CQD的光电传感器的量子效率。为此，他们主要需要集中精力提高含有CQD的薄膜中的载流子迁移率。

实现这一点将使他们能够获得更快的光传感器响应速度，目标是超越10ns响应速度，以便该技术可以用于i-ToF(间接飞行时间)，这在激光雷达和3D成像。