The current technology for infrared detectors makes use of binary and ternary semiconductor compounds. Device fabrication based on those materials requires expensive processes and equipment, resulting in high cost for unit area of sensor; furthermore, hybrid integration with CMOS readout circuit is often mandatory, a fact that reduces performances and increases cost. Colloidal quantum dots, nanometer-scale semiconductor crystals capped with surfactants and dispersed in a solvent, promise to solve those issues through solution processability: this allows to reduce the manufacturing cost and opens possibilities for direct deposition on di erent substrates, from silicon readout circuits to exible materials. The goal of this thesis is to realize performing near infrared photodetectors based on colloidal quantum dots an exploiting an inverted structure, opening the possibility for a new era of infrared sensors. Initially an assessment on the lm quality was made, looking both at the bulk and at the surface. Then photoconductive detectors were realized, and their performances optimized to get the highest possible detectivity, that reached D = 1:07 1011Jones at = 1450 nm. Starting from the stack used for photoconductors, an investigation of di erent electron transport layers (ETL) lead to photodiodes. J-V characteristics were further optimized changing hole transport layer (HTL). Since initial results showed poor response, a reduction of active layer thickness was e ective in increasing transport and collection e ciencies, thus also the response. Final detectivity values reached D = 2:3 1011Jones at = 1410 nm, demonstrating similar performance to conventional alternatives in this spectral range. Finally, a stability test was carried out exposing the devices to oxygen for 500 hours: this demonstrated that oxidation can degrade overall device performances. The successful realization of the devices and the ready integration given by the inverted structure adopted in this work open the possibility for the realization of an integrated NIR sensor using colloidal quantum dots.
La tecnologia attualmente disponible per detector a infrarossi sfrutta materiali semiconduttori composti da leghe binarie o ternarie. La realizzazione di device basata su questi materiali richiede processi e strumenti economicamente onerosi, il che si tramuta in un costo elevato dei sensori per unit a di area; oltre a ci o, spesso risulta necessario integrare il chip risultante con un circuito di readout basato sull'architettura CMOS, risultando in un peggioramento delle prestazioni e in un ulteriore aumento dei costi. I colloidal quantum dots sono nanocristalli di materiale semiconduttore di dimensioni nanometriche, dispersi in un solvente organico tramite tensioattivi. Questi materiali promettono di risolvere i problemi della tecnologia tradizionale grazie alla possibilit a di essere depositati da soluzione: ci o permette infatti di ridurre i costi di produzione e rende possible depositare il materiale direttamente su di erenti substrati, dai readout circuit a materiali essibili. Lo scopo di questa tesi e di realizzare fotorivelatori sensibili nel vicino infrarosso basati su colloidal quantum dots e su un'architettura a geometria invertita, gettando le basi per una nuova generazione di dispositivi. Inizialmente e stata veri cata la qualit a del lm con analisi sia di bulk che di super cie. Successivamente sono stati realizzati fotoconduttori, e le loro prestazioni sono state ottimizzate per ottenere il pi u altro valore possibile di detettivit a, che si e attestato a D = 1:07 1011Jones a = 1450 nm. Partendo dallo stack utilizzato per i fotoconduttori, una ricerca riguardo diversi electron transport layers (ETL) ha portato alla realizzazione di fotodiodi. Un ulteriore ottimizzazione delle curve J-V e stata eseguita investigando diversi hole transport layers (HTL). Poich e i risultati iniziali hanno mostrato scarsa responsivit a, una riduzione dello spessore del materiale attivo e risultata e cace nell'incrementare l'e cienza di trasporto e raccolta delle cariche, risultando in un responso pi u che quadruplo. I valori nali di detettivit a hanno raggiunto D = 2:3 1011Jones a = 1410 nm, valori simili a quelli delle attuali tecnologie disponibili in questo range di lunghezze d'onda. In ultimo sono stati attuati test di stabilit a esponendo i device ad ossigeno per 500 ore, dimostrando che l'ossidazione e in grado di degradare le prestazioni generali del dispositivo. In conclusione, la riuscita realizzazione di device basati su colloidal quantum dots e la possibilit a di integrarli facilmente grazie all'architettura a geometria invertita aprono nuove frontiere per la realizzazione di sensori integrati di nuova generazione nel vicino infrarosso.
Colloidal quantum dot near infrared photodetectors
TESTA, PAOLO
2014/2015
Abstract
The current technology for infrared detectors makes use of binary and ternary semiconductor compounds. Device fabrication based on those materials requires expensive processes and equipment, resulting in high cost for unit area of sensor; furthermore, hybrid integration with CMOS readout circuit is often mandatory, a fact that reduces performances and increases cost. Colloidal quantum dots, nanometer-scale semiconductor crystals capped with surfactants and dispersed in a solvent, promise to solve those issues through solution processability: this allows to reduce the manufacturing cost and opens possibilities for direct deposition on di erent substrates, from silicon readout circuits to exible materials. The goal of this thesis is to realize performing near infrared photodetectors based on colloidal quantum dots an exploiting an inverted structure, opening the possibility for a new era of infrared sensors. Initially an assessment on the lm quality was made, looking both at the bulk and at the surface. Then photoconductive detectors were realized, and their performances optimized to get the highest possible detectivity, that reached D = 1:07 1011Jones at = 1450 nm. Starting from the stack used for photoconductors, an investigation of di erent electron transport layers (ETL) lead to photodiodes. J-V characteristics were further optimized changing hole transport layer (HTL). Since initial results showed poor response, a reduction of active layer thickness was e ective in increasing transport and collection e ciencies, thus also the response. Final detectivity values reached D = 2:3 1011Jones at = 1410 nm, demonstrating similar performance to conventional alternatives in this spectral range. Finally, a stability test was carried out exposing the devices to oxygen for 500 hours: this demonstrated that oxidation can degrade overall device performances. The successful realization of the devices and the ready integration given by the inverted structure adopted in this work open the possibility for the realization of an integrated NIR sensor using colloidal quantum dots.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
thesis.pdf
solo utenti autorizzati dal 27/11/2016
Descrizione: Thesis
Dimensione
42.08 MB
Formato
Adobe PDF
|
42.08 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/115261