学术研究报告：通过InP/ZnS量子点层增强硅光电探测器的近紫外光谱响应

作者及发表信息
本研究由淮阴工学院数学与物理学院的Hao-Yun Huang、Jia-Hao Chen、Feng Nan、Yi Lin及通讯作者Lei Zhou*合作完成，发表于Elsevier旗下期刊《Optics & Laser Technology》第166卷（2023年），文章编号109608，在线发布于2023年5月26日。

学术背景
硅（Si）光电探测器因其低成本、高稳定性和与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的兼容性，广泛应用于光通信、光谱分析和工业控制等领域。然而，传统硅基探测器对红光和近红外光（NIR）的灵敏度显著高于蓝光和近紫外光（NUV），这源于紫外光在硅中的穿透深度较浅。为解决这一问题，研究者尝试了硅纳米线、超掺杂硅等技术，但多数方法工艺复杂且难以实现紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）宽谱响应。本研究提出了一种创新方案：通过溶液法制备超薄荧光InP/ZnS量子点（Quantum Dots, QDs）层，与硅探测器集成，旨在提升300–450 nm波段的响应性能，同时不损害其他波段的探测能力。

研究流程与方法
1. 材料合成与表征
- InP/ZnS QDs制备：采用溶剂热法合成InP核，通过硫基乙酸（TGA）和锌离子溶液进行相转移，紫外光照射后形成水溶性InP/ZnS核壳结构量子点。透射电镜（TEM）显示QDs平均直径为3.3 nm，X射线光电子能谱（XPS）证实Zn/In原子比为5.03，表明核壳结构成功构建。
- 光学性能测试：量子点的吸收光谱显示其在500 nm以下波段具有强吸收，光致发光（PL）峰位于620 nm（半峰宽32 nm），荧光效率达69%，证实其高效的下转换（downconversion）能力。

1. 器件制备与优化

   • 硅探测器处理：商用硅PIN探测器（型号SGPN88MQ-415）经氮气清洁和臭氧处理以增强亲水性。
     
   • QDs层集成：将不同浓度（3.5/4/4.5 mg/mL）的InP/ZnS溶液滴铸于硅表面，真空退火形成超薄层，分别标记为QPD-1、QPD-2和QPD-3。TEM显示QDs均匀分布，无团聚现象。
     

2. 性能测试

   • 光谱响应：使用单色仪（Newport CS260）在300–1100 nm范围内测试，以NIST校准的Ge/Si探测器为参考。QPD-2在380 nm处响应率达0.022 A/W，较无QDs层的参比器件（RPD）提升6.1倍，且在600–1100 nm波段保持原有性能。
     
   • 时间响应：在380 nm光照下，QPD-2的上升/下降时间为62 µs/83 µs，虽慢于RPD（25 ns），但归因于QDs的荧光寿命。
     
   • 暗电流与信噪比：0 V偏压下，QPD-2的暗电流低于0.35 nA，光暗电流比（I_p/I_d）高达8500，显著优于传统硅器件。

主要结果与逻辑关联
- QDs浓度影响：4 mg/mL（QPD-2）为最优浓度，过高浓度（4.5 mg/mL）会因QDs层过厚导致吸收损失。
- 宽谱响应机制：QDs将高能紫外光子转换为620 nm荧光，被硅高效吸收，从而增强NUV响应，而长波段光子直接穿透QDs层被硅探测，实现宽谱覆盖。
- 电学性能：低暗电流和高信噪比表明器件在零偏压下的实用性，适用于低功耗场景。

研究结论与价值
本研究通过InP/ZnS QDs与硅探测器的集成，实现了NUV波段响应性能的显著提升（380 nm处6.1倍增强），同时保持宽谱探测能力。该方法工艺简单、成本低，且与现有集成电路技术兼容，为高性能紫外-可见-近红外光电探测器提供了新思路，尤其在光通信和紫外监测领域具有应用潜力。

研究亮点
1. 创新性方法：首次利用InP/ZnS QDs的下转换效应增强硅探测器NUV响应，解决了传统硅器件紫外灵敏度不足的问题。
2. 性能突破：在380 nm波段实现0.022 A/W的高响应率，且零偏压下具备高信噪比（8500）。
3. 工艺优势：溶液法制备的QDs层无需复杂设备，可大规模生产。

其他价值
- 环境友好性：InP/ZnS QDs不含重金属镉，比CdSe QDs更安全。
- 扩展性：该策略可推广至其他荧光材料与探测器的结合，为宽带探测器设计提供普适性参考。