Fundamental Study of Carrier Multiplication Mechanisms for High Performance Quantum Dot Infrared Photodetector = 고성능 양자점 적외선 광 검출기를 위한 캐리어 증폭 메커니즘 기초 연구

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT ...................................................................................................... i
• 국문 초록 ........................................................................................................ iii
• PREFACE ...................................................................................................... vi
• TABLE OF CONTENTS .............................................................................. vii
• LIST OF TABLES ........................................................................................... x
• LIST OF FIGURES ........................................................................................ xi
• CHAPTER 1. INTRODUCTION ................................................................... １
• 1.1. Infrared (IR) Photodetectors ........................................................... １
• 1.2. Colloidal Quantum Dots (CQDs) ................................................... ２
• 1.2.1. Quantum Confinement Effect ............................................ ２
• 1.2.2 Surface Ligand Exchange ................................................... ４
• 1.2.3 Thin Film Preparation ......................................................... ５
• 1.3 Device Structure and Operating Mechanism for CQD Photodetectors ....................................................................................... ６
• 1.4 Key Parameters of Photodetectors ................................................... ７
• 1.5 Necessity and Objectives of this Thesis .......................................... ９
• CHAPTER 2. SURFACE-MEDIATED CARRIER MULTIPLICATION IN INAS CQD PHOTODETECTORS ............................................................. １１
• 2.1. Introduction ................................................................................ １１
• 2.2. Experimental Methodology ........................................................ １５
• 2.3. Intermediate Phase Transfer (IPT) ligand exchange of InAs CQDs ........................................................................................................... ２１
• 2.3.1. Surface Characterization of IPT-treated InAs CQDs..... ２１
• 2.3.2. Fabrication of InAs CQD Photodiode ........................... ２９
• 2.4. Surface-mediated Carrier Multiplication in InAs CQD Photodetectors ................................................................................... ３４
• 2.4.1. Carrier Multiplication Behavior of CQD Photodetector ３４
• 2.4.2. Enhancing Gain-bandwidth Product of Carrier Multiplication Device .............................................................. ４２
• 2.5. Conclusion .................................................................................. ４８
• CHAPTER 3. AVALANCHE MULTIPLICATION BEHAVIOR IN PBS CQD PHOTODETECTORS ....................................................................... ４９
• 3.1. Introduction ................................................................................ ４９
• 3.2. Experimental Methodology ........................................................ ５５
• 3.3. CQD-based SAM APD............................................................... ５９
• 3.3.1. Design Strategy of CQD-based SAM APD device ....... ５９
• 3.3.2. Characterization of Device Performance ....................... ６７
• 3.3.3. Analysis of Noise Components...................................... ７４
• 3.3.4. Comparison with Commercial InGaAs APD Devices ... ８２
• 3.3.5. Carrier Multiplication Mechanisms for CQD-based APD ................................................................................................. ８６
• CHAPTER 4. POTENTIAL STRATEGIES FOR ENHANCING DEVICE PERFORMANCE OF CQD-BASED APD ................................................ ８９
• CHAPTER 5. CONCLUDING REMARK ................................................. ９６
• REFERENCES ............................................................................................ ９９