Uncooled Short-Wave Infrared Sensor Based on PbS Quantum Dots using ZnO interlayer : ZnO 중간층을 이용한 PbS 양자점 기반의 비 냉각식 단파장 적외선 센서

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, infrared sensors are used various applications including environmental monitoring, military, and medical food industries. Based on the operation principle, previously reported infrared sensor can be divided into photon detectors and thermal detectors. The principle of the photon detector is to convert electrons generated by light into signals. They are fast and sensitive. However, since the operation temperature is low, separate cooling device is required[1,2,3]. In the case of the thermal detector, they need additional process that temperature change via infrared rays and converts it into a signal. In addition, short-wave infrared (SWIR) optoelectronics technology has been used for the structure for quantum well infrared photodetectors (QWIPs) because of the process limitations imposed on integrated devices through complicated processes of forming quantum dots (QDs) based on epitaxial growth methods as well as the requirement of coolers and additional optics for stable operation[4,5,6,7].
  In this study, we proposed a high-performance SWIR detection sensor that can operate at room temperature using PbS QDs as a photoactive layer[8,9]. In addition, in order to improve the sensitivity of the SWIR sensor, we adapted the zinc oxide (ZnO) as a interlayer by improving the electron mobility. The proposed PbS QDs SWIR　sensor with ZnO nanocrystals shows significantly higher sensitivity and higher stability than the PbS QDs SWIR　sensor. The on/off ratio of the PbS QDs SWIR sensor with ZnO is 10 times at –3 V and 33 times at 3 V higher than that of the PbS SWIR sensor without ZnO. In addition, the current stability of the sensor is also improved.

국문 초록 (Abstract)

최근 적외선 센서는 환경 모니터링, 군용 및 의료용 식품 산업 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 작동 원리에 따라 이전에보고 된 적외선 센서는 광자 검출기와 열 감지기로 나눌 수 있습니다. 광자 검출기의 원리는 빛에 의해 생성 된 전자를 신호로 변환하는 것입니다. 그들은 빠르고 민감합니다. 그러나 작동 온도가 낮기 때문에 별도의 냉각 장치가 필요합니다 [1,2,3]. 열 감지기의 경우 적외선을 통한 온도 변화와 신호로 변환하는 추가 공정이 필요합니다. 또한, 단파 적외선 (SWIR) 광전자 공학 기술은 에피 택셜 성장 방법에 기초한 양자점 (QD)을 형성하는 복잡한 과정을 통해 통합 장치에 부과 된 프로세스 제한 때문에 양자 우물 적외선 광 검출기 (QWIP) 용 구조에 사용되어왔다. 안정적인 작동을위한 쿨러 및 추가 광학 장치의 필요성 [4,5,6,7].
본 연구에서는 PbS QD를 광 활성층으로 사용하여 실온에서 동작 할 수있는 고성능 SWIR 검출 센서를 제안했다. 또한, SWIR 센서의 감도를 향상시키기 위해 전자 이동도를 향상시켜 중간층으로 산화 아연 (ZnO)을 적용했습니다. ZnO 나노 결정을 이용한 제안 된 PbS QDs SWIR 센서는 PbS QDs SWIR 센서보다 훨씬 높은 감도와 높은 안정성을 보여준다. ZnO를 사용한 PbS QDs SWIR 센서의 온 / 오프 비율은 ZnO가없는 PbS SWIR 센서보다 -3V에서 10 배, 3V에서 33 배 높다. 또한 센서의 현재 안정성도 향상됩니다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. THEORY 3
• 2.1 Photovoltaic effect 3
• 2.2 Quantum confinement effect 5
• 2.3 Operating principle of the proposed device 8
• Ⅲ. EXPERIMENTAL METHOD 10
• 3.1 Synthesis of colloidal PbS QDs 10
• 3.2 Synthesis of ZnO NCs 12
• 3.3 Device fabrication process 14
• 3.3.1 Formation method of the anode 14
• 3.3.2 Formation method of photoactive layer 15
• 3.3.3 Formation method of interlayer 16
• 3.3.4 Formation method of the cathode 17
• 3.4 Device measurement system 20
• Ⅳ. RESULTS AND DISCUSSION 22
• 4.1 Characteristics of the synthesized PbS QDs 22
• 4.2 Characteristics of the synthesized ZnO NCs 29
• 4.3 Performance of the SWIR sensors 33
• V. CONCLUSION 37
• REFERENCE 38
• 국 문 초 록 42