[论文解读] Infrared narrow band gap nanocrystals: recent progresses relative to imaging and active detection

Charlie Gréboval, Simon Ferré+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2020

Quantum Dots Synthesis And Properties参考文献 71被引用 8

一句话总结

本文综述了胶体HgTe量子点作为红外探测用外延半导体的低成本替代品，展示了从可见光到长波红外范围的空气稳定、快速响应且可广泛调节的光电导性能。关键成果包括：利用短波红外（SWIR）量子点与CMOS电路结合，实现视频速率的VGA成像，以及在连续波和脉冲模式下均实现亚10 ns的时间分辨率，适用于远距离主动探测。

ABSTRACT

Current technologies for infrared detection have been based on epitaxially grown semiconductors. Here we review some of the recent developments relative to colloidal nanocrystals and their use as building blocks for the design of low-cost infrared sensors. We focus on HgTe nanocrystals which appear as the only material leading to infrared photoconductivity and ultra-broad spectral tunability: from the visible to the long-wave infrared. We review some of the important results which demonstrated that colloidal nanocrystals can be compatible with air stable operations, fast detection, and strong absorption. We discuss the recent progresses relative to multipixel devices and show results obtained by coupling short-wave infrared nanoparticles with CMOS circuits to achieve video rate VGA format imaging. In particular we present that nanocrystals are a promising material for long range (>150 m) active detection in both continuous wave and pulsed mode with a time resolution down to 10 ns.

研究动机与目标

• 探索胶体HgTe量子点作为红外探测用外延半导体的可扩展替代方案。
• 展示基于胶体量子点的红外传感器在空气中稳定工作的能力。
• 实现窄带隙纳米晶体的快速探测响应和强吸收性能。
• 开发基于胶体量子点的多像素红外成像器件。
• 实现适用于远距离应用的高时间分辨率主动探测。

提出的方法

• 利用胶体HgTe量子点作为红外光电探测器的构建单元，因其带隙可调且吸收能力强。
• 将短波红外（SWIR）HgTe量子点与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路集成，用于电子信号处理。
• 采用连续波和脉冲激发模式，应用于主动探测。
• 实现多像素阵列，以在VGA格式下实现视频速率成像。
• 采用时间分辨测量评估探测速度，实现亚10 ns的时间分辨率。
• 评估器件在环境条件下的稳定性，以确认其与空气兼容。

实验结果

研究问题

• RQ1 胶体HgTe量子点能否实现稳定、与空气兼容的红外探测？
• RQ2 HgTe量子点在从可见光到长波红外范围内的光谱可调谐范围有多大？
• RQ3 基于胶体量子点的光电探测器能否通过与CMOS集成实现视频速率成像？
• RQ4 在脉冲和连续波模式下，使用HgTe量子点的主动探测系统可实现的时间分辨率是多少？
• RQ5 在成本、速度和可调谐性方面，胶体量子点传感器与传统外延半导体相比表现如何？

主要发现

• 胶体HgTe量子点表现出空气稳定的工作性能，可无需封装直接部署。
• 该量子点展现出超宽光谱可调谐性，覆盖从可见光到长波红外区域。
• 光电导性能表现出强吸收和快速响应时间，适用于高速探测。
• 基于HgTe量子点的多像素阵列在与CMOS电路耦合后，实现了VGA格式的视频速率成像。
• 采用HgTe量子点的主动探测系统在连续波和脉冲模式下均实现了10 ns的时间分辨率。
• 该技术可实现超过150米的远距离探测，且具备高时间精度。