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中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-030）——单片集成的硫化铅胶体量子点短波红外成像面阵

已有 997 次阅读 2022-10-24 15:33 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——单片集成的硫化铅胶体量子点短波红外成像面阵

红外成像具有探测距离大、穿透力强以及可全天候工作等优点，在工业和科学研究中均具有重要的应用价值。然而，面向其规模化应用，红外探测技术在分辨率、制造成本方面仍存在发展瓶颈。以InGaAs红外探测器为例，它通常依赖于液相或气相外延技术，制造和加工成本高昂。同时，目前成熟的红外成像芯片是通过复杂的倒装键合技术将探测器与硅基 CMOS读出电路连接而制造的。随着像素数量的增加、像元尺寸的减小，键合难度增大，良率下降，不仅限制了分辨率的提升，还导致成本大幅上升。因此，突破现有红外成像芯片在大面阵集成、规模化应用方面的限制瓶颈，开发新型的高分辨、超低成本的红外成像芯片至关重要。实现红外光电二极管与硅基ROIC的单片集成是显著提升红外成像芯片分辨率、降低芯片成本的最可行方法。在数十倍提升红外成像芯片分辨率的条件下，还有望实现成本超过100倍的降低，使红外成像芯片在智能手机、自动驾驶等消费级产品的应用成为可能。

鉴于此，华中科技大学唐江教授团队首先合成了激子吸收峰在940 nm的PbS胶体量子点，然后通过液相配体交换获得旋涂用的纳米墨水。根据PbS CQD的特性，设计出了适配硅基ROIC的顶入射结构的光电二极管，通过模拟分析和实验优化器件结构，使耗尽区靠近入射光，实现光生载流子的有效分离与收集，从而提高器件外量子效率。针对磁控溅射中高能粒子对PbS CQD界面的损伤，通过引入C60界面钝化层降低界面缺陷，通过驱动级电容和电容-电压测量分析证明了PbS量子点光敏层缺陷浓度降低至2.3×10¹⁶ cm^-3，接近广泛研究的PbS CQD光电二极管的最佳值。文中报道的顶入射PbS CQD光电二极管的响应截止波长为1200 nm，室温探测率达2.1×10¹² Jones，−3dB带宽为140 kHz，线性动态范围超过100 dB。

图1. PbS CQD成像芯片结构示意图。

基于最优的PbS CQD光电二极管，团队报道了国内首款基于CMOS读出电路的单片集成PbS CQD红外成像芯片，其像素尺寸为15 μm，像素规模高达640×512，空间分辨率为40 lp/mm (MTF50)。该芯片展示了在水果检测、溶剂识别、静脉成像等方面的应用，具有可与商用InGaAs成像芯片媲美的成像效果，证明了其广泛的应用潜力。与迄今为止报道的所有量子点成像阵列相比，该芯片红外峰值外量子效率高达63%，约为同类型PbS CQD芯片的两倍；同时暗电流密度约为17.8 nA/cm²，也处于同类型芯片的最低水平。

图2. PbS CQD成像芯片成像效果展示。

相关研究成果于2022年6月16日以"A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry"为题于发表在Nature Electronics上。华中科技大学唐江教授和高亮副教授为共同通讯作者，华中科技大学刘婧博士为第一作者，华中科技大学为第一完成单位。

2 作者简介

通讯作者

唐江，华中科技大学，教授、光学与电子信息学院院长、武汉光电国家研究中心副主任，杰出青年基金和Optica Fellow获得者。

2003年本科毕业于中国科学技术大学，2010年博士毕业于加拿大多伦多大学。2012年加入华中科技大学以来，专注于新型光电转换材料与器件研究，具体包括量子点红外探测器、钙钛矿射线探测器和发光二极管，以及一维晶体结构半导体材料与器件研究。发表文章200余篇，累计被引用22000余次。授权中国发明专利62项，美国专利4项，研究成果曾两次入选中国光学十大进展，自2019年以来连续入选科睿唯安和爱思唯尔“全球高被引科学家”。

通讯作者

高亮，华中科技大学，武汉光电国家研究中心副教授。

2012年本科毕业于华中科技大学光学与电子信息学院，2018年博士毕业于华中科技大学武汉光电国家研究中心，2016-2017年于博士于多伦多大学联合培养，2018年9月入职华中科技大学。以第一作者或通讯作者（含共同）在Nature Photonics、Nature Electronics等期刊上发表论文，累计引用5000余次。2021年获“楚天学子”称号。