Low-dimensional semiconductors have been considered excellent materials to construct photodetectors for infrared detection with an easy process and excellent compatibility but suffer from low detectivity mainly owing to the poor light absorption of the ultra-thin body. Here, we demonstrate a thin film transistor (TFT) based short-wave infrared photodetector consisting of a carbon nanotube (CNT) TFT gated by a PbS colloidal quantum dots (CQDs) based heterojunction. The thick PbS CQDs' film efficiently absorbs infrared light and then excites and separates electron–hole pairs to generate a photovoltage at the pn heterojunction of the PbS CQDs/ZnO film. The photovoltage is further amplified and transduced in situ by the CNT TFT under the heterojunction, and then the detector featured a specific detectivity of 5.6 × 1013 Jones under 1300 nm illumination and a fast response of the sub-ms level (0.57 ms). The CQDs based heterojunction gating TFT represents a universal architecture for highly sensitive low-dimensional semiconductor based infrared photodetectors, competitive with state-of-the-art epitaxial semiconductors and enabling monolithic integration technology.

1.
W. D.
Hu
,
Q.
Li
,
X. S.
Chen
, and
W.
Lu
,
Acta Phys. Sin.
68
(
12
),
120701
(
2019
).
2.
A.
Rogalski
,
P.
Martyniuk
, and
M.
Kopytko
,
Rep. Prog. Phys.
79
(
4
),
046501
(
2016
).
3.
A.
Rogalski
,
P.
Martyniuk
, and
M.
Kopytko
,
Appl. Phys. Rev.
4
(
3
),
031304
(
2017
).
4.
W.
Lei
,
J.
Antoszewski
, and
L.
Faraone
,
Appl. Phys. Rev.
2
(
4
),
041303
(
2015
).
5.
D.
De Fazio
,
B.
Uzlu
,
I.
Torre
,
C.
Monasterio-Balcells
,
S.
Gupta
,
T.
Khodkov
,
Y.
Bi
,
Z. X.
Wang
,
M.
Otto
,
M. C.
Lemme
,
S.
Goossens
,
D.
Neumaier
, and
F. H. L.
Koppens
,
ACS Nano
14
(
9
),
11897
11905
(
2020
).
6.
Y.
Liu
,
N.
Wei
,
Q. S.
Zeng
,
J.
Han
,
H. X.
Huang
,
D. L.
Zhong
,
F. L.
Wang
,
L.
Ding
,
J. Y.
Xia
,
H. T.
Xu
,
Z.
Ma
,
S.
Qiu
,
Q. W.
Li
,
X. L.
Liang
,
Z. Y.
Zhang
,
S.
Wang
, and
L. M.
Peng
,
Adv. Opt. Mater.
4
(
2
),
238
245
(
2016
).
7.
Z.
Wang
,
P.
Wang
,
F.
Wang
,
J. F.
Ye
,
T.
He
,
F.
Wu
,
M.
Peng
,
P. S.
Wu
,
Y. F.
Chen
,
F.
Zhong
,
R. Z.
Xie
,
Z. Z.
Cui
,
L.
Shen
,
Q. H.
Zhang
,
L.
Gu
,
M.
Luo
,
Y.
Wang
,
H. W.
Chen
,
P.
Zhou
,
A. L.
Pan
,
X. H.
Zhou
,
L. L.
Zhang
, and
W. D.
Hu
,
Adv. Funct. Mater.
30
(
5
),
1907945
(
2020
).
8.
F. P. G.
de Arquer
,
A.
Armin
,
P.
Meredith
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Rev. Mater.
2
(
3
),
16100
(
2017
).
9.
P.
Wang
,
S. S.
Liu
,
W. J.
Luo
,
H. H.
Fang
,
F.
Gong
,
N.
Guo
,
Z. G.
Chen
,
J.
Zou
,
Y.
Huang
,
X. H.
Zhou
,
J. L.
Wang
,
X. S.
Chen
,
W.
Lu
,
F. X.
Xiu
, and
W. D.
Hu
,
Adv. Mater.
29
(
16
),
1604439
(
2017
).
10.
J. J.
Zha
,
M. C.
Luo
,
M.
Ye
,
T.
Ahmed
,
X. C.
Yu
,
D. H.
Lien
,
Q. Y.
He
,
D. Y.
Lei
,
J. C.
Ho
,
J.
Bullock
,
K. B.
Crozier
, and
C. L.
Tan
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2111970
(
2022
).
11.
S.
Goossens
,
G.
Navickaite
,
C.
Monasterio
,
S.
Gupta
,
J. J.
Piqueras
,
R.
Perez
,
G.
Burwell
,
I.
Nikitskiy
,
T.
Lasanta
,
T.
Galan
,
E.
Puma
,
A.
Centeno
,
A.
Pesquera
,
A.
Zurutuza
,
G.
Konstantatos
, and
F.
Koppens
,
Nat. Photonics
11
(
6
),
366
371
(
2017
).
12.
X. Q.
Chen
,
K.
Shehzad
,
L.
Gao
,
M. S.
Long
,
H.
Guo
,
S. C.
Qin
,
X. M.
Wang
,
F. Q.
Wang
,
Y.
Shi
,
W. D.
Hu
,
Y.
Xu
, and
X. R.
Wang
,
Adv. Mater.
32
(
27
),
1902039
(
2019
).
13.
J. H.
Wu
,
Y. H.
Lu
,
S. R.
Feng
,
Z. Q.
Wu
,
S. Y.
Lin
,
Z. Z.
Hao
,
T. Y.
Yao
,
X. M.
Li
,
H. W.
Zhu
, and
S. S.
Lin
,
Adv. Funct. Mater.
28
(
50
),
1804712
(
2018
).
14.
V.
Adinolfi
and
E. H.
Sargent
,
Nature
542
(
7641
),
324
327
(
2017
).
15.
H. H.
Fang
and
W. D.
Hu
,
Adv. Sci.
4
(
12
),
1700323
(
2017
).
16.
H. W.
Shi
,
L.
Ding
,
D. L.
Zhong
,
L. M.
Peng
, and
Z. Y.
Zhang
,
Adv. Electron. Mater.
8
(
2
),
2100751
(
2022
).
17.
Z. X.
Wang
,
H. L.
Xu
,
Z. Y.
Zhang
,
S.
Wang
,
L.
Ding
,
Q. S.
Zeng
,
L. J.
Yang
,
T. A.
Pei
,
X. L.
Liang
,
M.
Gao
, and
L. M.
Peng
,
Nano Lett.
10
(
6
),
2024
2030
(
2010
).
18.
Y.
Xia
,
W.
Chen
,
P.
Zhang
,
S. S.
Liu
,
K.
Wang
,
X. K.
Yang
,
H. D.
Tang
,
L. Y.
Lian
,
J. G.
He
,
X. X.
Liu
,
G. J.
Liang
,
M. L.
Tan
,
L.
Gao
,
H.
Liu
,
H. S.
Song
,
D. L.
Zhang
,
J. B.
Gao
,
K.
Wang
,
X. Z.
Lan
,
X. W.
Zhang
,
P.
Mueller-Buschbaum
,
J.
Tang
, and
J. B.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
30
(
22
),
2000594
(
2020
).
19.
See http://www.teledynejudson.com/products for “
Typical Performance of Commercial SWIR Products
.”
20.
T.
Lule
,
M.
Wagner
,
M.
Verhoeven
,
H.
Keller
, and
M.
Bohm
,
IEEE J. Solid-State Circuits
35
(
5
),
732
739
(
2000
).
21.
S. M.
Sze
and
K. K.
Ng
,
Physics of Semiconductor Devices
(
John Wiley & Sons, Inc
.,
2007
), p.
673
.
22.
Y. J.
Yang
,
L.
Ding
,
H. J.
Chen
,
J.
Han
,
Z. Y.
Zhang
, and
L. M.
Peng
,
Nano Res.
11
(
1
),
300
310
(
2018
).
23.
Z.
Zheng
,
H. H.
Fang
,
D.
Liu
,
Z. J.
Tan
,
X.
Gao
,
W. D.
Hu
,
H. L.
Peng
,
L. M.
Tong
,
W. P.
Hu
, and
J.
Zhang
,
Adv. Sci.
4
(
12
),
1700472
(
2017
).
24.
Y. Z.
Zhang
,
T.
Liu
,
B.
Meng
,
X. H.
Li
,
G. Z.
Liang
,
X. N.
Hu
, and
Q. J.
Wang
,
Nat. Commun.
4
,
1811
(
2013
).
25.
J. M.
Sun
,
M.
Peng
,
Y. S.
Zhang
,
L.
Zhang
,
R.
Peng
,
C. C.
Miao
,
D.
Liu
,
M. M.
Han
,
R. F.
Feng
,
Y. D.
Ma
,
Y.
Dai
,
L. B.
He
,
C. X.
Shan
,
A. L.
Pan
,
W. D.
Hu
, and
Z. X.
Yang
,
Nano Lett.
19
(
9
),
5920
5929
(
2019
).
26.
J. R.
Manders
,
T. H.
Lai
,
Y. B.
An
,
W. K.
Xu
,
J.
Lee
,
D. Y.
Kim
,
G.
Bosman
, and
F.
So
,
Adv. Funct. Mater.
24
(
45
),
7205
7210
(
2014
).
27.
R. T.
Lu
,
C.
Christianson
,
A.
Kirkeminde
,
S. Q.
Ren
, and
J. D.
Wu
,
Nano Lett.
12
(
12
),
6244
6249
(
2012
).
28.
Y.
Liu
,
J.
Yin
,
P. F.
Wang
,
Q. Q.
Hu
,
Y. X.
Wang
,
Y.
Xie
,
Z. R.
Zhao
,
Z. M.
Dong
,
J. L.
Zhu
,
W. D.
Chu
,
N.
Yang
,
J. Q.
Wei
,
W. Y.
Ma
, and
J. L.
Sun
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
(
42
),
36304
36311
(
2018
).
29.
Y. F.
Li
,
Y. T.
Zhang
,
T. T.
Li
,
M. Y.
Li
,
Z. L.
Chen
,
Q. Y.
Li
,
H. L.
Zhao
,
Q.
Sheng
,
W.
Shi
, and
J. Q.
Yao
,
Nano Lett.
20
(
8
),
5646
5654
(
2020
).
30.
Y.
Lee
,
J.
Kwon
,
E.
Hwang
,
C. H.
Ra
,
W. J.
Yoo
,
J. H.
Ahn
,
J. H.
Park
, and
J. H.
Cho
,
Adv. Mater.
27
(
1
),
41
46
(
2015
).
31.
G.
Konstantatos
,
J.
Clifford
,
L.
Levina
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Photonics
1
(
9
),
531
534
(
2007
).
32.
J. S.
Steckel
,
E.
Josse
,
A. G.
Pattantyus-Abraham
,
M.
Bidaud
,
B.
Mortini
,
H.
Bilgen
,
O.
Arnaud
,
S.
Allegret-Maret
 et al,
IEDM
23
(
4
),
518
521
(
2021
).
33.
J.
Liu
,
P. L.
Liu
,
D. Y.
Chen
,
T. L.
Shi
,
X. X.
Qu
,
L. C. T.
Wu
,
J. P.
Ke
,
K.
Xiong
,
M. Y.
Li
,
H. S.
Song
,
W.
Wei
,
J. K.
Cao
,
J. B.
Zhang
, and
J.
Tang
, “
A high-resolution colloidal quantum dot imager by monolithic integration.
Research Square
.
34.
A. M.
Afzal
,
M. Z.
Iqbal
,
G.
Dastgeer
,
A.
ul Ahmad
, and
B.
Park
,
Adv. Sci.
8
(
11
),
2003713
(
2021
).
35.
G.
Konstantatos
,
M.
Badioli
,
L.
Gaudreau
,
J.
Osmond
,
M.
Bernechea
,
F.
de Arquer
,
F.
Gatti
, and
F.
Koppens
,
Nat. Nanotechnol.
7
(
6
),
363
368
(
2012
).
36.
Y. C.
Tang
,
H. H.
Fang
,
M. S.
Long
,
G.
Chen
,
Z.
Zheng
,
J.
Zhang
,
W. J.
Zhou
,
Z. J.
Ning
,
Z. H.
Zhu
,
Y.
Feng
,
S. G.
Qin
,
X. S.
Chen
,
W.
Lu
, and
W. D.
Hu
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
24
(
4
),
1
11
(
2018
).
37.
S.
Park
,
S. J.
Kim
,
J. H.
Nam
,
G.
Pitner
,
T. H.
Lee
,
A. L.
Ayzner
,
H. L.
Wang
,
S. W.
Fong
,
M.
Vosgueritchian
,
Y. J.
Park
,
M. L.
Brongersma
, and
Z. A.
Bao
,
Adv. Mater.
27
(
4
),
759
765
(
2015
).
38.
Z. Y.
Ni
,
L. L.
Ma
,
S. C.
Du
,
Y.
Xu
,
M.
Yuan
,
H. H.
Fang
,
Z.
Wang
,
M. S.
Xu
,
D. S.
Li
,
J. Y.
Yang
,
W. D.
Hu
,
X. D.
Pi
, and
D. R.
Yang
,
ACS Nano
11
(
10
),
9854
9862
(
2017
).
39.
G.
Konstantatos
,
I.
Howard
,
A.
Fischer
,
S.
Hoogland
,
J.
Clifford
,
E.
Klem
,
L.
Levina
, and
E. H.
Sargent
,
Nature
442
(
7099
),
180
183
(
2006
).
40.
Y. L.
Che
,
Y. T.
Zhang
,
X. L.
Cao
,
X. X.
Song
,
H. T.
Zhang
,
M. X.
Cao
,
H. T.
Dai
,
J. B.
Yang
,
G. Z.
Zhang
, and
J. Q.
Yao
,
Appl. Phys. Lett.
109
(
26
),
263101
(
2016
).
You do not currently have access to this content.