Colloidal quantum dots (CQDs) are promising materials for infrared photodetector (IRPD) because of their high absorption coefficients, size-tunable characteristics, and cost-effective fabrication techniques. Nevertheless, relatively low detectivity (D$^*$) exhibited by CQD-based IRPDs has spurred investigations into kinetically-pumped CQD-based IRPDs for boosting detectivity (D$^*$). An accompanying challenge, however, is the unintended surge in flicker noise (1/f noise) induced by the carrier multiplication in the device, which is attributable to the discrete energy levels from energy level overlapping along with the trap densities controlled by the CQD size. Such CQD size adjustments not only alter noise level but also affect the threshold voltage required for impact ionization, where the trade-off relationship occurs between the size-dependent noise and current gain characteristics. Our device features an optimal absorption wavelength (1S$_{max}$) of 920 nm in multiplication layer, demonstrating a maximum responsivity of 17.98 kA/W, a dark current noise of 54.7 nA, a bandwidth of 7.5×10$^5$ Hz, and a final detectivity of 1.1×10$^14$ Jones. Furthermore, our findings also offer valuable insights into the design parameters offering advanced N-I-P and SACM (separated-absorption-charge-multiplication) structures that could pave the way of developing the high-performance of kinetically-pumped CQD-based IRPDs.
콜로이달 양자점은 높은 흡수 계수, 크기 제어의 용이성, 비용 절감적 제조 기술로 인해 각광받는 신물질이지만, 양자점 기반 광검출기는 상대적으로 낮은 광검출능 (D$^*$)을 개선하기 위해 동전기적 증폭 특성을 지니는 광검출기가 연구되었다. 그러나, 소자의 탐지감도를 제한하는 동전기적 증폭에 의해 상승한 플리커 잡음은 양자점 크기 제어에 따른 에너지 레벨 중첩과 트랩 밀도 상태에서 기인한 불연속적 에너지 준위에 따라 변화한다. 또한, 양자점 크기 제어에 따른 암전류 잡음 크기와 충격 이온화에 필요한 임계 전압의 크기간 균형관계가 발생해 크기 제어의 최적화가 필요하고, 그 결과 920 nm의 흡수 파장으로 최적화하여 최대 광반응도 17.98 kA/W, 암전류 잡음 54.7 nA, 대역폭 7.5×10$^5$ Hz, 최종 탐지감도 1.1×10$^{14}$ Jones의 향상된 성능의 광검출기를 제공하였다. 나아가 본 연구를 기반한 동전기적 증폭을 활용한 개선된 구조의 N-I-P 구조, 분리 흡수 전하 증폭 구조를 활용해 고성능 양자점 자발 증폭 광 탐지기 제작의 방법을 제공하였다.
