红外光(IR)检测为现代工业、科学、能源、医疗和国防应用奠定了基础。跨越不同波长(λ)范围的无机半导体和复杂的制造系统是超过硅的截止点(λc—— 1.1 μm)的技术基础。最先进的红外光电探测器通常是基于III-V族半导体的二极管。例如,铟镓砷化物(InGaAs)覆盖了λ = 2.4 μm短波红外(SWIR;λ = 1-3 μm);锑化铟(InSb),中波红外光谱(MWIR;λ = 3-5 μm);碲化汞镉(HgCdTe),长波红外光谱(LWIR;λ = 8-14 μm)。


这些探测器采用高温外延生长,模块化程度和内在脆弱性有限,通常需要低温冷却,与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术不兼容。其他成熟技术也有类似的限制,如III-V族半导体的掺杂异质结构、量子阱和II型超晶格。当前,使用最先进窄带隙半导体的光电探测设备需要复杂的制造过程、高的制造成本和严格的冷却要求,这对于其广泛应用来说仍面临着巨大挑战。


近日,美国南密西西比大学Jason D. Azoulay教授团队报道了一种基于能跨越SWIR-LWIR宽带范围的供体-受体(D-A)共轭聚合物的高性能红外光电检测技术。该聚合物π共轭骨架内的电子相关性促进了高自旋基态、窄带隙、长波长吸收和本征导电性。这些以前未观察到的特性使得从溶液中制造薄膜光电导探测器成为可能,该探测器显示出大于2.1×109Jones的特定探测率。这种能在室温下的检测技术非常接近当前所用的冷却外延器件的检测技术。这项工作为广泛适用的低成本环境温度红外光电检测提供了一个全新的平台。该论文近日以题为“Broadband infrared photodetection using a narrow bandgap conjugated polymer”发表在知名期刊Sci. Adv.上。


【图文导读】


南密西西比大学研制出新型宽带红外光电探测器:能跨越SWIR-LWIR宽带

图一、高自旋共轭聚合物的红外吸收


(a)窄带隙聚合物的分子和电子结构。


(b)氯苯旋涂到NaCl衬底上薄膜的透射光谱(蓝色),1000℃黑体辐射器计算的出射率(橙色),以及Al2O3封装剂的光谱透射率(灰色)。


南密西西比大学研制出新型宽带红外光电探测器:能跨越SWIR-LWIR宽带

图二、器件结构与红外光电流响应


(a)光电导探测器的等效电路。


(b)60 μm×1 mm检测器活动区域的示意图。


(c)安装在陶瓷LCC中的单元素光导器件。


(d)用1000℃黑体照射产生的光电流,采用SWIR带通滤光片λ = 1 —— 3 μm, MWIR滤光片λ = 3 —— 5 μm, LWIR部分滤光片λ = 8 —— 12 μm。


南密西西比大学研制出新型宽带红外光电探测器:能跨越SWIR-LWIR宽带

图三、光导探测器在室温下的性能特性


(a)响应率作与四个红外光谱区域应用偏差的关系。


(b)JOLID*和BLIPD*。


(c)光导聚合物响应(蓝色)和替代聚合物(红色)的商用InGaAs光电二极管对飞秒激光脉冲序列的响应。


(d)(上)单飞秒探测器瞬态扩展和单指数拟合(红色)给出了10%—— 90%的上升时间115 μs和衰减常数109 μs。(下)光电导探测器的波德图在1.6 kHz处显示为-3 dB。


南密西西比大学研制出新型宽带红外光电探测器:能跨越SWIR-LWIR宽带

图四、聚合物检测器与III-V半导体的替代材料对比


与其他探测器技术相比,这种光电导(PC)探测器在JOLI和BLIP条件下的光谱D*。


小结


这项工作首次报道了在光谱区域使用 D-A共轭聚合物进行宽带红外光电检测的技术。该探测器使用开壳式 D-A共轭聚合物有源层,对SWIR、MWIR 和 LWIR 段的光子进行感应,而目前除石墨烯以外的有机材料无法访问这些区域。


作者通过微波辅助的Stille交叉偶联共聚反应开发了一种中性的高自旋D-A共轭聚合物,其大分子结构和电子拓扑结合在一起,能提供非常窄的光学带隙(< 0.10 eV),是目前报道的共轭有机材料中和溶液可加工材料中最低的。该工作提供了强大的稳定性、极低能量下的带隙控制、光电特性的轻松合成调控、溶液可加工性和室温操作——这些特性是其他基于半导体的光电探测器无法协同实现的。


这些优势以及探测器制造过程的简易性有望为检测红外光电子提供一种替代方法并实现全新的设备技术。



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