Engineering Semiconductor Nanostructures for Short-Wave Infrared Detection
Notice bibliographique
Résumé
Photodetectors fabricated using silicon and III-V compound semiconductors enable accurate light detection across the visible and infrared spectra. These, however, suffer from limited wavelength selectivity and from manufacturing costs that prohibit wider application.Solution-processed semiconductor nanostructures such as colloidal quantum dots (CQDs) represent a promising alternative. These combine ease of processing and a bandgap that is tunable across the short-wave infrared (SWIR) spectrum. At the outset of this study, CQD photodetectors sensitive to this spectral region suffered from high dark current (10-2 mA.cm-2), poor stability (a few hours), and low detection speed (fall time of 500 ns). In this thesis, I focus on the realization and investigation of new CQD device architectures and their effects on dark current, stability, and speed. I then explore the potential benefits of CQD photodetectors over epitaxial technologies. First I investigate the limitations of prior CQD photodetectors. I find that inadequate control over the band alignment and surface passivation lead to high dark current. I pursue the development of a surface-ligand engineering strategy that tailors the functionalities of each layer, enabling me to achieve record low dark current (10-3 mA.cm-2). Next, I study two performance-limiting factors: operating stability and speed. I examine a chief cause of photodetector instability – oxygen adsorption by the electron transport layer – and develop a synthesis method with 10x lower binding energy to oxygen. The new photodetectors are stable for over 100 hours. I then develop a device model to quantify the impact of charge transport layers on the detection speed and use this to fabricate 3x faster photodetectors (fall time of 150 ns). Finally, I explore the advantages of CQD photodetectors over traditional epitaxial semiconductors. I tune the spectral response of the CQDs to a SWIR band in which atmospheric absorption suppresses solar illumination. This results in CQD photodetectors achieving 140x higher signal-to-background ratio compared to Si-based photodetector systems. I then explore the integration of CQDs onto lattice-mismatched substrates, developing an interfacial layer that improves the injection of carriers into silicon. The studies herein offer routes to improve CQD photodetector performance and demonstrate the benefits of CQDs over epitaxial technologies.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».