Further into the infrared with quantum dot photodetectors

Abstract

In the infrared, photodetectors are the key components in a wide-variety of applications such as thermal imaging, remote sensing, spectroscopy with newer technologies added to the list such as LiDaR and deep tissue imaging. As the demand for photodetectors increase with a shift towards longer wavelengths, we need high-performance, scalable and low-power consuming alternatives to current infrared photodetector technologies. Colloidal Quantum Dots (CQDs) are nanoscale-sized semiconductors with quantum-confined charges in all 3 dimensions. They can be synthesized in solution and can easily be deposited onto a desired substrate as a quantum dot (QD) film which allows easy integration with current silicon-based technologies. QDs are efficient light absorbers and their bandgap can accurately be tuned by controlling their size during synthesis. Lead chalcogenide QDs, such as PbS and PbSe, have tunable bandgaps covering the near-infrared (NIR) and short-wave infrared (SWIR) up to 3 µm, making them ideal sensitizers for photodetectors. In this thesis, we utilize PbS QDs with an excitonic bandgap around 1.8 µm in combination with 2-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs) to form hybrid photodetectors operating in the infrared. With their layered structure similar to graphene and semiconducting character, TMDCs have outstanding electronic properties. Incorporating few-layers of TMDCs in our PbS QD detectors allows fast and efficient charge transfer from the QDs to the photodetector contacts through the TMDC layer, boosting detector responsivity. By combining PbS QDs with two types of TMDCs, WS2 and MoS2, we are able to reach detectivities exceeding 1012 Jones at room temperature with a response up to 2 µm. Probing further into the infrared, we extend the spectral response of our hybrid detectors up to 3 µm by utilizing narrower-bandgap PbSe QDs with MoS2 layers. After a careful analysis and using strategies such as oxide-isolation of metallic contacts, we reached detectivities of 7.7 x 1010 Jones at 2.5 µm at RT. With their low-noise and high responsivities, our detectors improve the potential of hybrid detectors and demonstrate a performance comparable to commercial detectors without the need of external cooling, costly vapor deposition techniques or complex integration with silicon technology. Broadening the reach of PbS QDs even further, even beyond the limit of their bulk bandgap, up to 9 µm by using a novel doping method, we demonstrate the first PbS QD intraband photodetectors. Having developed this air-stable high n-doping method for PbS QDs, observation of intraband transitions taking place between the first two conduction levels becomes possible. These intraband transitions have lower energies compared to the bandgap, opening up another degree of freedom in tunable optical response of our QDs between 6-9 µm. We study how the doping works across a wide range of QD sizes and at different temperatures. Our photodetectors utilizing the intraband transitions in highly-doped PbS QD films have detectivities approaching 105 Jones. To sum up, we demonstrated lead chalcogenide QD based photodetectors with improved performance and spectral responses progressively shifting deeper into the infrared. Our TMDC-QD hybrid detectors reveal the potential of these systems as alternatives to commercial detectors. Whereas, surpassing the bandgap limit with high doped QDs and intraband transitions opens up new ways to realize optoelectronic devices further in the infrared.

En el infrarrojo, los fotodetectores son los componentes clave en una amplia variedad de aplicaciones, como escaneo térmico, teledetección, espectroscopia, además de otras tecnologías más nuevas, como LiDaR o escaneo de tejidos profundos. A medida que aumenta la demanda de fotodetectores con aplicaciones hacia longitudes de onda más largas, necesitamos alternativas de alto rendimiento, escalables y de bajo consumo de energía a las tecnologías actuales de fotodetectores infrarrojos. Los puntos cuánticos coloidales (CQD) son semiconductores de tamaño nanométrico con portadores de carga confinados cuánticamente en las 3 dimensiones. Se sintetizan en soluci ón y se pueden depositar fácilmente sobre cualquier sustrato en forma de película de puntos cuánticos (QD) que permite una fácil integración con las tecnologías actuales basadas en silicio. Los QDs son absorbentes de luz eficientes y sus bandas prohibidas se pueden ajustar controlando su tamaño durante la síntesis. Los QDs de calcogenuro de plomo, como PbS y PbSe, tienen bandas sintonizables que cubren el infrarrojo cercano (NIR) y el infrarrojo de onda corta (SWIR) hasta 3 µm, lo que los convierte en sensibilizadores ideales para fotodetectores. En esta tesis, utilizamos PbS QD con una banda prohibida excitónica de 1,8 µm en combinación con dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales (TMDCs) para formar fotodetectores híbridos que operan en el infrarrojo. Con su estructura en capas similar al grafeno y su carácter semiconductor, los TMDC tienen propiedades electrónicas sobresalientes. La incorporación de unas pocas capas de TMDC en nuestros detectores de PbS QD permite una transferencia de carga rápida y eficiente desde los QDs a los contactos del fotodetector a través de la capa TMDC, lo que aumenta la capacidad de respuesta del detector. Al combinar PbS QD con dos tipos de TMDCs, WS2 y MoS2, podemos alcanzar detectividades superiores a 1012 Jones a temperatura ambiente con una respuesta de hasta 2 µm. Profundizando más en el infrarrojo, ampliamos la respuesta espectral de nuestros detectores híbridos hasta 3 µm mediante la utilización de QDs de PbSe, de banda prohibida más estrecha, con capas de MoS2. Después de un análisis cuidadoso y utilizando estrategias como el aislamiento de los contactos metálicos mediante óxido de aluminio, alcanzamos detectividades de 7,7 x 1010 Jones a 2,5 µm a temperatura ambiente. Con su bajo nivel de ruido y alta responsividad, nuestros detectores mejoran el potencial de los detectores híbridos y demuestran un rendimiento comparable al de los detectores comerciales sin la necesidad de un enfriamiento externo, costosas técnicas de deposición de vapor o una integración compleja con la tecnología de silicio. Además, se ha ampliado el alcance de los QDs de PbS hasta 9 µm, sobrepasando el límite de su banda prohibida en bulk. Mediante el uso de un método de dopaje novedoso, demostramos los primeros fotodetectores intrabanda de PbS QDs. Este método nos permite obtener un alto dopaje tipo n de los PbS QDs, que hace posible la observación de las transiciones intrabanda entre los dos primeros niveles de conducci ón. Estas transiciones intrabanda tienen energías más bajas en comparación con la banda prohibida, lo que abre otro grado de libertad en la respuesta óptica sintonizable de nuestros QDs entre 6-9 µm. Este método también estabiliza los PbS QDs dopados, evitando su oxidación en contacto con el aire. Adicionalmente, estudiamos cómo funciona el dopaje en una amplia gama de tamaños QD y a diferentes temperaturas. Nuestros fotodetectores, que utilizan las transiciones intrabandas en pel ículas de PbS QDs altamente dopadas, tienen detectividades que se acercan a 105 Jones. En resumen, demostramos fotodetectores basados en QDs de calcogenuro de plomo con un rendimiento mejorado y respuestas espectrales que se desplazan progresivamente más profundamente en el infrarrojo. Nuestros detectores híbridos TMDC-QD revelan el potencial de estos sistemas como alternativa a los detectores comerciales. Por otro lado, la superación del límite de la banda prohibida con QDs altamente dopados abre nuevas formas de realizar dispositivos optoelectrónicos más allá del infrarrojo.