PbS colloidal quantum dots based photodetectors for integrated swir detection

Abstract

Düşük su emilimi ve gece aydınlığı gibi özellikler nedeniyle kısa dalga kızılötesi algılama; pasif gece görüş sistemleri, biyomedikal görüntüleme ve uzaktan algılama gibi uygulamalar için önem kazanmaktadır. Foto detektörlerin okuma devrelerine monolitik entegrasyonuna; detektör yoğunluğunu arttırmak ve maliyeti, güç tüketimini ve sistem boyutunu azaltmak için birçok uygulamada ihtiyaç duyulmaktadır. Solüsyon bazlı yarıiletkenler; üretim teknikleri ucuz ve kolay olması, bant genişliklerinin boyutlarına bağlı olarak ayarlanabilmesi ve herhangi bir tabana kolayca entegre edilebilmesi gibi özellikleri nedeniyle alışılagelmiş kristal foto detektörlere karşın umut verici bir alternatif olarak görülmektedirler. Bu çalışmada, okuma devreleri elektroniğine entegre edilebilecek, PbS koloidal kuantum noktaları (KKN) bazlı foto detektörler gerçeklenmiştir.Bu çalışmada farklı tasarımlarda PbS koloidal kuantum noktaları bazlı foto detektörler, cam ve silisyum tabanlar üzerine gerçeklenmiştir. Spin kaplama adımları ve katı hal ligand değişim süreçleri, delik ve çatlaklardan arındırılmış, yüksek hareketlilik kabiliyetine sahip PbS KKN katmanları oluşturmak için optimize edilmiştir. Buna ek olarak, PbS KKN foto detektörlerinin entegre devre uyumlu versiyonları gerçeklenmiştir. Okuma devresi yongasının yüzeyinin kopyası silisyum tabanlar üzerinde üretilmiş ve bu kopya üzerinde tamamen entegre PbS foto detektörler gerçeklenmiştir. Yüksek iletkenlik ve geçirgenlik özellikli indiyum kalay oksit katmanlarının DC sputter yöntemiyle kaplanma prosesinin optimizasyonuna önem gösterilmiştir. Gerçeklenen detektörlerde, konvansiyonel kristal foto detektörlerin hassaslık derecelerine, 1.4x1012 Jones, ulaşılmıştır. Ayrıca metal nano-parçacıkların PbS KKN katmanlarında plasmonic saçılma etkileri çalışılmıştır. Altın nano-parçacıklar kullanılarak PbS KKN katmanlarında 6 kattan yüksek bir emilim ve duyarlılık artışı elde edilmiştir.

Due to the low water absorption and nightglow, sensing in short wave infrared (SWIR) is very attractive in applications such as; passive night vision, biomedical imaging and remote sensing. The monolithic integration of photodetectors to the read-out circuits is desirable in many applications to increase density of detectors and reduce costs, system size and power consumption. Solution-processed semiconductors are a promising alternative to conventional bulk crystalline photodetectors since their production is low cost and easy, their bandgap can be tuned depending on their sizes, and they can be easily integrated on any substrate. In this work, PbS colloidal quantum dot based photodiodes are realized that are compatible with the integration on read out Integrated Circuits (ROIC).Various kinds of PbS quantum dots based schottky diodes are designed on glass and silicon substrates. Spin deposition steps and solid state ligand exchange processes are optimized to create pinhole free and high mobility PbS quantum dot layers. In addition to that IC integrable versions of PbS colloidal quantum dot (CQD) photodiodes are realized. ROIC chip surface is mimicked on Si substrates and fabrication steps are optimized for integration. Special importance is given to optimize highly conductive and transparent indium tin oxide layer using DC magnetron sputtering. Sensitivities of 1.4x1012 Jones, close to the conventionally used crystalline, bulk photodetectors is achieved. Also, plasmonic scattering effects of metal nanoparticles in PbS CQD layer are studied. Absorption and responsivity enhancement of 6 fold is presented using gold nanoparticles in PbS CQD based photoconductors.