(A) Study on Quantum-Dots Photodiode with P- and N-Metal Oxide Semiconductors

김요섭 경희대학교 대학원 2020 국내석사

광다이오드는 빠른 반응속도와 높은 외부 양자 효율로 광검출에 유용한 구조이다. 광다이오드는 높은 검출성, 반응성 및 낮은 암전류를 필요로 한다. 본 연구에서는 p형과 n형 금속산화물 반도체 사이에 적색 양자점(QDs) 층을 형성하여 자외선 및 가시광 감지가 가능한 새로운 구조의 광다이오드를 제작하였다. CdZnSeS/ZnS QDs를 광 흡수 용도로, p형의 Cu2SnS3-Ga2O3와 n형의 Li Doped ZnO(LZO)를 전하 수집 용도로 사용했다. QDs 광다이오드는 녹색 조명 하에서 -1 V일때 0.258 A W-1의 반응성과 1.00 × 1013 Jones의 검출성을 나타내었다. QDs 광다이오드의 정류비는 ~ 105, 상승 및 하강 응답 속도는 2.1과 2.6 msec 이였으며 -1 V에서 2.08 nA cm-2의 낮은 암전류 밀도를 나타내었다. 또한 유연한 폴리이미드(PI) 기판에 QDs 포토다이오드를 제작하였고, 이는 굴절반경 0.32mm의 20,000 회의 밴딩 실험에서 안정적인 특성을 나타내었다. The photodiode requires high detectivity, responsivity, and low dark current for various applications. Here, we report a new structure of quantum-dots (QD) photodiode for ultraviolet (UV), blue, green, and red light sensing using a red QD layer between p-type and n-type metal-oxide semiconductors. We used CdZnSeS/ZnS QD for photo-absorption with p-type Cu2SnS3-Ga2O3 and n-type Li doped ZnO (LZO) for carrier collection. The QD photodiode has a low dark current density of 2.08 nA cm-2 at -1 V leading to high rectification ratio of ~ 105. The QD photodiode shows superior properties with responsivity of 0.258 A W-1 and detectivity of 1.00 × 1013 Jones at -1 V under green illumination. The rise and fall times of QD photodiode are 2.1 and 2.6 msec, respectively. We also demonstrated the QD photodiode on a flexible polyimide (PI) substrate, exhibiting stable characteristics under bending test of 20,000 cycles at a bending radius of 0.32 mm.

From Basic Concepts to Emerging Devices: Mercury Telluride Colloidal Quantum Dot Infrared Photodiodes for 1–5 Microns Detection

Ackerman, Matthew Michael ProQuest Dissertations & Theses The University of 2020 해외박사(DDOD)

HgTe colloidal quantum dots (CQDs) are an emerging technology important for the development of low-cost, next-generation infrared technologies. However, photodetectors based on HgTe CQDs must also be capable of delivering performances equivalent to or better than the epitaxial technologies to compete commercially. Here, concepts and methods are described for designing emerging HgTe CQD photodiodes with detection in the shortwave and mid-wave infrared spectral regions and figures-of-merit rapidly approaching the commercial epitaxial technologies. The concepts investigated for the design of HgTe CQD photodiodes included heterojunction diodes with charge-selective transport layers and homojunction diodes with thin films of doped HgTe CQDs. The former likely suffer from unfavorable heterojunction band alignment that is detrimental to device operation and challenging to control in narrow-gap CQDs. Doping thin films of HgTe CQDs, however, is successful, following the introduction of a solid-state cation exchange process. Heterojunctions of HgTe CQDs and doped semiconductor nanoparticles were also essential to the concept and design of inverted-polarity HgTe CQD photodiodes. Finally, the designs developed within this work culminate in the demonstration of a SWIR/MWIR dual-band infrared photodetector. Further developments of the HgTe CQD photodiodes will follow from addressing design and material challenges for enhancing the charge collection efficiency, absorption, and operating temperature of these photodiodes. Today, the shortwave infrared HgTe CQD photodiodes demonstrate the most promise, and mid-wave HgTe CQD detectors with high temperature operation are under development. The designs here may also extend to the HgTe CQDs with absorption in the long-wave infrared and position HgTe CQDs as an emerging technology for the future of infrared detectors.

Enhanced Detectivity in Quantum Dot Photodetectors through P-type Ink and Atomic Layer Deposition Integration

강홍구 한양대학교 대학원 2026 국내석사

(A) Study on interfacial electronic structure for optoelectronic characteristics of Quantum-Dot Light Emitting Diodes via controlling inorganic Hole Injection Layer

김태연 경희대학교 대학원 2021 국내석사

4 차 산업 혁명이 시작되면서 최근 사물 인터넷 (Internet of Things: IoT) 기술의 발전으로 광전자 장치가 차세대 스마트 장치의 핵심 구성 요소로 간주되고 있다. IoT 회로에 통합된 광전자 장치는 빛을 방출하고, 이 빛이 사물에 반사되어 나오는 광신호 수신을 통해 다양한 조건을 관찰 할 수 있다. IoT는 차세대 자율 주행 자동차 및 스마트 시티와 같은 많은 유용한 기능을 수행한다. 따라서 고성능 및 고효율의 소자가 요구되고 있으며, 첨단 나노 물질 기반의 차세대 광전자 소자에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 우리는 차세대 광전자 재료 중 하나인 0 차원의 나노 결정 구조를 가지는 콜로이드 양자점(Quantum Dots: QDs)을 기반으로 장치를 제작한다. QDs는 물, 공기 및 열과 같은 외부 환경에 대해 우수한 안정성을 나타내는 무기 재료이다. QDs의 크기 조절로 밴드 갭을 조정하여 광범위한 가시 광선을 방출 할 수 있다. 광범위한 가시광 파장은 반치폭(Full Width at Half Maximum: FWHM)이 좁아 색순도가 높으며 뛰어난 휘도 및 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency: EQE) 특성을 구현할 수 있다. 또한 용액 공정이 가능하여 저비용으로 대면적 디스플레이를 생산하는데 유리하다. 이러한 QDs의 장점으로 디스플레이, 센서, 태양 전지 등 광범위하게 연구되어 다양한 광전자 분야에서 주목을 받고 있다. 향후 차세대 광전자 소자 분야에 응용을 위해 QDs 기반의 고성능 디바이스에 대한 더 많은 연구가 필요하다. 이 연구에서 우리는 공정 제어 및 도핑 효과를 통한 정공 주입 층(Hole Injection Layer: HIL)의 박막 특성과 응용에 대해 보고 한다. 디바이스 제작의 공정 조건 제어를 통해 HIL 박막의 전기적 특성을 효과적으로 개선하여 소자를 최적화하였다. HIL의 두께, UVO 공정 제어 및 도핑 효과의 파라미터를 제시하고 다이오드의 특성 및 동작을 보고한다. 첫 번째 연구에서는 먼저 하나의 장치에서 발광 및 광 감지가 가능한 이중 기능 다이오드 장치를 연구했다. 이중 기능 다이오드는 가시 광선 영역에서 단일 다이오드에서 간단한 바이어스 방향 제어를 통해 발광 및 광 감지 기능을 선택할 수 있다. 이중 기능 다이오드는 순방향 바이어스 2.6 V 이상에서 536 nm 파장의 녹색 빛으로 31,668 cd/m2의 최대 휘도를 달성했다. 이중 기능 다이오드는 광 검출기를 최적화하기 위해 V2O5 HIL의 농도를 제어하여 제작되었다. 이중 기능 다이오드가 역방향 바이어스로 작동하면 광 검출기가되어 장치에서 520 nm 파장의 빛을 감지한다. 우리는 V2O5 농도에 따른 정공 수송을 분석하기 위해 X 선 광전자 분광법 (XPS)과 자외선 광전자 분광법 (UPS)을 사용했다. 농도가 증가함에 따라 V2O5의 가장 높은 점유 분자 궤도 (HOMO) 및 갭 상태 (gap state)의 레벨 변화를 분석하였다. 따라서 우리는 이중 기능 다이오드를 제작하고 두 개의 이중 기능 다이오드를 사용하여 가시 광선 통신을 시연했다. 두 번째 연구에서는 전자와 정공 사이의 전하 균형을 맞추기 위해 HIL의 전도도를 향상시키는 연구를 수행했다. QLEDs는 전하 전송 동작을 제어하기 위해 용액 처리 가능한 NiO HIL을 사용하여 제작되었다. 용액 처리 된 NiO는 연소 방법을 사용하여 저온에서 HIL로 증착했다. NiO 박막은 두 가지 방법을 사용하여 전기적 특성이 향상되었다. 1) NiO 박막은 UVO 처리에 의해 개선된 정공 주입을 보여준다. 2) NiO에 p 형 Cu를 도핑하여 정공 주입 능력과 전도성이 크게 향상되었다. 또한 전자 수송 층 (Electron Transport Layer: ETL)으로 자주 사용되는 ZnO 대신 ZnMgO을 사용하여 정공보다 상대적으로 빠른 전자 이동도를 낮췄다. 고성능 QLEDs는 전자와 정공 사이의 전하 균형을 향상시킴으로써 달성되었다. 따라서 UVO 처리 된 Cu:NiO (5 %)를 사용한 QLEDs는 535 nm의 파장에서 밝은 녹색 빛을 방출했으며, 최대 휘도는 61,264 cd/m2의 높은 밝기를 보여준다. 또한 Cu:NiO (5 %) QLEDs는 최대 전류 효율이 11 cd/A로 NiO QLEDs보다 약 6 배 높은 것으로 나타났다. 본 연구는 QLEDs의 공정 제어를 통해 HIL의 전자 계면 구조를 제어하여 우수한 QLEDs 성능을 나타내었다. 이는 미래 디스플레이 산업을 위한 광 센서 및 발광이 가능한 이중 다이오드로 사용될 수 있고 QLEDs의 전하 균형을 위해 다양한 공정 제어의 중요성을 시사한다. With the beginning of the 4th industrial revolution, the recent advances in Internet of Things (IoT) technology have led to optoelectronic devices being regarded as key components of next-generation smart devices. Various optoelectronic devices integrated into IoT circuits can emit light to receive its signals, observe various conditions reflected by visible light, which perform many useful functions such as autonomous vehicles and smart cities. Therefore, high performance and efficiency devices are required, and many studies are being conducted to develop optoelectronic devices based on advanced nanomaterials. Here in, we fabricate colloidal quantum dots (QDs) based devices, which are small semiconductor nanocrystals with zero dimensions as one of the next generation of interesting optoelectronic materials. QDs are inorganic material that exhibits excellent stability against external environments such as water, air and heat. It can emit a wide range of visible light wavelengths by adjusting the band gap with size control. Also, QDs have high color purity due to a narrow full width at half maximum (FWHM), and can realize high luminance and external quantum efficiency (EQE) characteristics. Moreover, the solution process is possible, which is advantageous for producing large-area displays at low cost. Due to the various advantages of QDs mentioned, it has been widely studied in displays, sensors, solar cells etc., attracting attention in various optoelectronics over the past 20 years. However, in order to become a next-generation optoelectronic device, more research on high-performance quantum dot-based devices that can be applied to various fields is required. In this study, two studies were conducted to control the interfacial electronic structure of the inorganic hole injection layer of a quantum-dot light emitting diodes (QLEDs). First, we studied a dual function diode device capable of light emitting and detecting in one device. The detectable QLEDs have selectable functionalities with emission and detection in the visible light region. This feature can be selected via simple bias direction control on a single diode. The dual-functional diode can emit green light, with a peak wavelength of 536 nm, at a forward bias of > 2.6 V, achieving a maximum luminance of 31,668 cd/m2. The dual functional QLEDs were fabricated by controlling the concentration of vanadium oxide (V2O5) hole injection layer (HIL) to optimize the photodetector. When the dual functional diode works in reverse bias, it becomes a photodetector, detecting in the illumination of 520 nm wavelength light on the device. We used X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) to analyze the hole transport according to the V2O5 concentration. As the concentration increased, the highest occupied molecular orbital and gap state of V2O5 were changed. Therefore, we have fabricated a dual functional diode and demonstrated visible light communication using two identical dual functional diodes. The result suggests that QLEDs can be used as a photosensor and as a light-emitting diode for the future display industry. In the second study, we conducted a study to improve the conductivity of HIL to balance the charge between electrons and holes. QLEDs have been fabricated using solution processable nickel oxide (NiO) hole injection layer (HIL) to control the carrier transport behavior. Solution processed NiO has been deposited as HIL at low temperatures using a combustion method. NiO thin film has improved electrical properties using two methods. Firstly, the NiO thin film shows improved hole injection by UV ozone treatment. Secondly, the p-type Cu dopant has significantly enhanced hole injection ability and conductivity of NiO. In addition, Zinc magnesium oxide (ZnMgO) has been used instead of zinc oxide (ZnO), which is often used as an electron transport layer (ETL), to reduce electron mobility. High-performance QLEDs were achieved by balancing the charge between electrons and holes. Therefore, QLEDs with UV-ozone treated Cu:NiO (5 %) emitted a bright green light at the wavelength of 535 nm, and with the maximum luminance of 61,264 cd/m2 at 8.6 V. Also, Cu-NiO (5 %) QLEDs indicated a maximum current efficiency of 11 cd/A, which was about 6 times higher than that of NiO QLEDs. The results suggest the importance of charge balance of QLEDs with various processes in materials.

Influence of Surface Ligands on the Performance of HgTe Quantum Dots-Based Photodetectors

Jihoo So DGIST 2026 국내석사

Fundamental Study of Carrier Multiplication Mechanisms for High Performance Quantum Dot Infrared Photodetector

Min-Jae Si 고려대학교 대학원 2026 국내박사

적외선 광 검출기는 라이다, 야간 투시, 통신 등 다양한 응용 분야에서 필수적인 구성 요소로 주목받고 있다. 콜로이드 양자점은 밴드갭 조절 가능성, 용액 공정 가능성, 그리고 Si 기반 리드아웃 회로와의 단일화 호환성으로 인해 적외선 흡수체로서 주목받고 있다. 특히, 양자점 기반 적외선 광다이오드는 단일 소자 수준에서 InGaAs 기반 소자들과 비견될만한 광전 성능을 보여주었다. 이러한 맥락에서 캐리어 증폭은 양자점 광 검출기의 감도를 향상시키는 유망한 전략으로 부상하였다. 본 논문에서는 양자점 광 검출기에서 캐리어 증폭을 유도하기 위해 사용되는 전략들을 제시하며, 특히 양자점 광 다이오드의 구체적인 메커니즘과 소자 설계에 초점을 맞추었다. 본 연구의 핵심은 양자점 캐리어 증폭 소자를 최적화하기 위한 두 가지 방법론 개발에 있다. (1) InAs CQD에서의 표면 매개 증폭 (제3장)과 (2) PbS CQD 광다이오드에서의 아발란치 증폭 (제4장)이 바로 그것이다. 3장에서는 중간 상 전이라는 리간드 교환 방법을 사용하여 표면 화학을 제어하였다. 이 방법은 기존의 절연성 리간드를 교체하고 캐리어 이동도를 향상시키기 위해 부피가 큰 방향족 리간드와 짧은 티올 리간드를 함께 사용하였다. 정밀하게 제어된 리간드 교환을 통해 양자점 표면의 리간드 농도와 트랩 밀도를 조절할 수 있었다. 이러한 접근법은 양자점 표면의 미세 조절만으로도 캐리어 증폭 정도를 조절할 수 있음을 보여주었으며, 이를 통해 최적화된 이득-대역폭 성능을 달성할 수 있었다. 4장에서는 PbS 양자점을 사용하여 분리된 흡수 및 증폭 구조로 아발란치 증폭을 연구하였다. n+-p-i-p+ 구조로 소자를 설계함으로써, p형 증폭층에서 전자 증폭을 성공적으로 구현하였고 비대칭 전기장 분포를 통해 높은 전기장에서도 안정성을 향상시켰다. 그 결과로 만들어진 아발란치 광 다이오드는 -7.6 V에서 3000 이상의 전류 이득과 72.7 GHz 이상의 이득-대역폭 곱을 나타냈다. 이 연구는 양자점 기반 증폭층의 표면 처리와 다양한 온도 조건에서의 특성 평가를 통해 더욱 최적화될 수 있었다. 본 연구에서는 양자점 기반 광 검출기의 광전 성능 향상을 위해, 표면 특성 조절이나 소자 구조 설계를 통해 다양한 캐리어 증폭 메커니즘이 연구되었다. 이러한 캐리어 증폭 메커니즘에 대한 기초 연구는 양자점 박막에서의 캐리어 동역학에 대한 통찰을 제공하였고, 양자점 기반 캐리어 증폭 광 검출기의 성능을 향상시키기 위한 전략을 수립하였으며, 양자점 기반 소자들이 기존 벌크 소재 기반 소자의 성능을 능가할 수 있는 가능성을 보여주었다. Infrared photodetectors are gaining attention as essential components for various applications such as Light Detection and Ranging (LiDAR), night vision, and telecommunications. Colloidal quantum dots (CQDs) have gained attention for infrared absorbers due to bandgap tunability, solution processability, and monolithic compatibility with Si-based readout circuits. Specifically, CQD-based infrared photodiodes have exhibited comparable optoelectronic performances with InGaAs-based devices in unit device scale. In this context, carrier multiplication (CM) has become a potential strategy for improving sensitivity of CQD photodetectors. This thesis demonstrates the strategies that CQD photodetectors used for inducing CM, focusing on the specific mechanisms and device engineering of CQD photodiodes. Central to this study is the development of two methodologies for optimizing CQD CM devices: (1) the surface-mediated multiplication in InAs CQDs (Chapter 3) and (2) avalanche multiplication in PbS CQD photodiodes (Chapter 4). In Chapter 3, a ligand exchange method called intermediate phase transfer (IPT) was employed to control surface chemistry. The methodology utilized both bulky aromatic ligands and short thiol ligands to replace insulating native ligands and enhance carrier transport. The precisely controlled ligand exchange enabled modulation of ligand concentration and trap densities at the CQD surface. This approach revealed that fine tuning of CQD surface also allows control over the degree of carrier multiplication, thereby achieving optimized gain-bandwidth performance. In Chapter 4, avalanche multiplication was studied using PbS CQDs with separated absorption and multiplication (SAM) structure. By designing the device with an n+-p-i-p+ structure, the architecture achieved successful electron multiplication in p-type multiplication layer and enhanced stability under high E-field by achieving an asymmetric electric field (E-field) distribution. The resulting avalanche photodiode (APD) exhibited a gain over 3000 and gain-bandwidth product (GBP) over 72.7 GHz at -7.6 V. This study can be further optimized through surface treatment of CQD-based multiplication layer and characterization under different temperatures. For enhancing the optoelectronic performance of CQD photodetectors, various CM mechanisms were studied by tailoring surface characteristics or designing device architectures. These fundamental studies of CM mechanisms provided insights into carrier dynamics in CQD films and established strategies for improving the performance of CQD CM photodetectors, demonstrating their potential to surpass the performance of conventional bulk materials-based devices.