摘要
近红外光电探测器已广泛应用于光通信、夜视、安防监控、医疗成像、产品检测等领域。在快速发展的科技化和智能化社会中，其作用举足轻重。如今，人工智能和物联网等技术的快速发展需要进一步提高近红外传感器的尺寸、重量、成本、功耗和性能等五个指标。硫化铅胶体量子点由于可溶液处理、带隙可调、光吸收系数高、成本低和衬底兼容度高等优势，是开发下一代高性能近红外光电探测器的有力候选者。但是，由于表面配体的隔绝作用以及内部较高的缺陷态密度，硫化铅量子点薄膜通常具有低的载流子迁移率，这限制了基于硫化铅量子点的光电子器件性能的进一步提升。绝大部分光电探测器，由于光敏材料同时作为沟道材料，利用材料优势的同时，也不可避免地会引入一些劣势。因此，本文设计了一种光学模块和电学模块相互独立的近红外器件。其中，硫化铅量子点光电二极管作为光学模块负责吸收入射的光信号，碳纳米管薄膜场效应晶体管作为电学模块负责电信号的输出。光电二极管接受光照后产生的光生电子会对晶体管形成有力的栅调控，从而显著改变其漏源电流。基于这一原理，硫化铅量子点的光学优势和碳纳米管的电学优势被结合在一起，成功实现了一种具有光敏感栅极的晶体管型近红外光电探测器。在实验中，一种顶栅碳纳米管薄膜场效应晶体管首先被成功制备，并测试了其电学性能。接着，采用热注入法可控合成了高质量的硫化铅量子点。此外，制备了一种硫化铅量子点光电二极管，并对其光电性能进行了研究。最后，本文提出了一种光学模块和电学模块相互组合的设计思路，将硫化铅量子点光电二极管和碳纳米管场效应晶体管相结合，实现了一种具有光敏栅极的近红外光电探测器，并对其光电性能进行了系统性讨论。本文的具体研究内容如下: 1.利用沉积在Si/SiO2基底上的高纯度半导体型单壁碳纳米管薄膜，经过光刻、电子束蒸镀、反应离子刻蚀等工艺制备了一种碳基顶栅场效应晶体管。碳纳米管薄膜晶体管实现了良好的电学性能，包括低的亚阈值摆幅、优异的开关比（大于105）和灵敏的栅极调控特性。 2.采用热注入法实现了吸收峰在925nm左右的硫化铅量子点的可控合成，并应用了相应的固相和溶液相配体交换工艺对量子点进行高效钝化处理，实现了高质量的硫化铅量子点薄膜。制备了一种优化结构的硫化铅量子点光电二极管，并在零偏置电压下实现了超快的响应速度（上升时间为39.32μs,下降时间为38.38μs）。光电二极管还展现出大于55dB的线性动态范围，器件的响应度、外量子效率和比探测率的最大值分别为187mA/W，29％和6.7×1011Jones。 3.将硫化铅光电二极管与碳纳米管薄膜场效应晶体管结合，提出了一种具有光敏感栅极的晶体管型近红外光电探测器。光模块和电模块相互独立的结构既利用了硫化铅量子点和碳纳米管各自的光学与电学优势，也在一定程度上避免了两者的不足。近红外光电探测器在950nm光照下获得了优异的响应度（41.9A/W）、较高的比探测率（3.04×1011Jones）和突出的外量子效率（5470％）。此外，该器件的性能可以通过改变栅极电压在大的尺度内调节，显示出灵活的光响应特性。本文的工作为下一代近红外光电子器件的发展提供了一定的思考。
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