量子点红外探测器

一体化集成红外成像芯片


红外线一般指波长在0.76 μm-20 μm范围内的电磁波,可简单分为近红外、短波红外、中红外和远波红外波段。由于可对物体的形貌、温度和组分进行分析和探测,红外成像广泛应用于军事侦察、辅助驾驶、机器视觉、疫情防控等方面。传统的半导体红外成像芯片如InGaAsInSb, HgCdTe由红外像元阵列和读出电路阵列通过倒装焊或者ACF连接而成,虽然性能优异,但受制于其高温高真空制备工艺和键合工艺,存在成本高昂、像素大小受限的不足。利用胶体量子点(PbS, PbSe HgTe) 吸收随其物理尺寸可调,可溶液加工直接集成到CMOS读出电路,暗电流低串扰小的核心优势,课题组在前期胶体量子点良好的研究基础上(Nature Materials, 2011, 10, 765-771; LightScience & Applications, 2016, 5, e16126; Nature Photonics, 2020, 4, 227–233)的基础上,聚焦一体化集成红外成像芯片研究,以降低芯片成本,实现超大像素红外成像。

以胶体量子点红外成像芯片为例,其开发过程如上图。首先在溶液中合成胶体量子点(PbS, PbSe,HgTe), 然后溶液配体交换获得量子点浆料,然后在CMOS电路基片上构建金属连接和电子(或空穴)收集层,再通过旋涂等方式成膜构建量子点吸光层,随后制备对应的空穴(或电子)收集层,最后获得与CMOS电路一体化集成的量子点PIN型红外光电探测器。具体优化的技术指标包括暗电流密度、外量子收集效率、动态响应范围、大范围一致性、芯片工作稳定性等。项目获得军委科技委、国家自然科学基金、华为技术有限公司资助。本课题组期望发展新型红外材料、研究红外像元器件、开发一体化集成工艺、设计读出电路阵列,打通胶体量子点红外成像芯片的全流程,形成一系列具有竞争力的红外探测和成像技术。