量子点短波红外成像芯片
主要完成人：唐江、高亮、刘婧
人类80%以上的信息是通过眼睛获得，因此图像感知是信息社会的主要入口，是消费电子、自动驾驶、物联网等技术的基础支撑。相较于可见光成像，红外成像具有穿透性强、可夜间工作、可温度测量等显著优势，被广泛应用于军事国防、安全监控、疫情防控、自动驾驶等领域，研究价值巨大。
受加工温度高和单晶外延生长等工艺限制，现有的短波红外成像芯片主要采用异质集成的方式实现红外光电二极管与硅基读出电路（ROIC）互联，面临工艺复杂、大规模生产难、成本高等问题。例如，基于InGaAs红外成像芯片的商用相机价格为数万美元，高昂的价格使红外成像芯片难以在智能手机、自动驾驶等领域应用。
实现红外光电二极管与硅基ROIC的单片集成是显著降低短波红外成像芯片成本的最可行方法。在不牺牲图像质量的情况下，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。硫化铅胶体量子点（PbS CQD）采用低温溶液法加工，工艺简单，衬底兼容性好，可与硅基ROIC单片集成，显著降低了成像芯片的生产成本，有望推动近红外成像技术的大规模应用。
为此，唐江教授团队合成出激子吸收峰在940nm的PbSCQD并通过配体交换获得量子点浆料。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。针对制备中磁控溅射的高能粒子对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探测器缺陷浓度降低至2.3×1016cm−3，接近广泛研究的PbS CQD光电二极管的最佳值（图1）。文中报道的顶入射PbS CQD光电二极管的响应截止波长约1150nm，探测率达2.1×1012Jones，−3dB带宽为140 kHz，线性动态范围超过100 dB。
图1 PbS CQD探测器的结构设计与界面钝化
基于最优的PbS CQD光电二极管，团队进一步实现了低成本、高性能PbS CQD成像芯片的集成与制备。在CMOS读出电路基底上，通过低温工艺直接沉积PbS CQD光电二极管，使其与读出电路像素级互连（图2），成功实现像素规模640×512的红外成像芯片的制备。基于器件结构设计及功能层优化，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成像芯片结构示意图及实物图
该团队制备的CQD成像芯片具有可媲美商用InGaAs芯片的成像效果，其横向和纵向的分辨率可达40 lp/mm和37 lp/mm（图3）。在红外光下水果的碰伤损伤和皮下静脉血管清晰可见，展示了PbS CQD红外成像芯片在水果检测、溶剂识别、静脉成像等方面的应用，证明了其广泛的应用潜力。
图3 PbS CQD成像芯片成像效果展示
该研究工作得到了海思光电有限公司在读出电路方面的大力支持，得到了华中科技大学分析测试中心以及华中科技大学武汉光电国家研究中心纳米级表征和器件中心的设施支持，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和湖北省自然科学基金创新研究群体基金的资助。
