紅外成像技術具有重要的戰略及國防意義。當前紅外成像芯片受限于高成本外延生長方式和倒裝互聯芯片制備方法，大規模產業化應用存在成本限制。據麥姆斯咨詢報道，北京理工大學光電學院膠體量子點研究團隊聚焦于膠體量子點紅外成像芯片技術，實現8英寸晶圓級短波紅外及中波紅外膠體量子點光電成像芯片制備，具有工藝簡單、成品率高及便于民用普及等優點。相關研究成果以“Wafer-scale Fabrication of CMOS-compatible Trapping-mode Infrared Imagers with Colloidal Quantum Dots”為題發表于ACS Photonics之上。該論文的第一作者及共同一作為北京理工大學博士生張碩、北京理工大學博士生畢成及北京理工大學博士生秦天令，通訊作者為陳夢璐教授、郝群教授及唐鑫教授。論文的第一單位及第二單位為北京理工大學及中芯熱成科技（北京）有限責任公司。

圖1 捕獲型量子點紅外成像芯片

論文中提出了一種捕獲型紅外器件工作原理及設計方法（圖1）。通過液相配體交換的方法，實現對量子點摻雜類型及濃度的精準調控。在近本征量子點薄膜頂層涂覆具有強電子摻雜的N型量子點層，進而在器件垂直方向形成耗盡層及內建電場。當入射紅外光子被量子點層吸收后，所激發光生載流子在垂直方向發生分離，電子被驅動至頂層N型薄膜。由于量子點頂層未設置頂電極，因此電子無法流向外部電路進而被“捕獲”于器件頂層。光生空穴則在水平電極所施加電場作用下發生移動，形成光電流。由于量子點中“少子”電子被捕獲，“多子”空穴壽命得到大大延長，進而大幅提升器件靈敏度及響應電流。捕獲型器件工作機理如圖2所示。

圖2 膠體量子點捕獲型器件工作原理及能帶結構

捕獲型光電探測器的設計與硅基ROICs完全兼容。量子點與ROICs的集成可以通過順序旋涂工藝完成。與垂直光電二極管結構不同，捕獲型光電探測器不需要額外的頂層電極，大大降低了CMOS成像器件的制造復雜性。為了獲得最佳檢測性能，采用了具有阻抗匹配的定制ROICs，在8英寸晶圓上進行晶圓級探測器制備（圖3a,b）。在此項工作中，團隊系統研究了三種不同類型的成像芯片，包括光導型、光伏型和捕獲型探測器。光導型量子點可以輸出均勻的圖像，但其探測效率有限，導致靈敏度低。盡管在原理上，光伏型成像芯片應該具有最高的靈敏度及較低的暗電流和高量子效率。然而，在實際制造過程中，典型光伏HgTe量子點成像器會受到摻雜劑不可控擴散的影響，從而性能下降。捕獲型量子點成像芯片將外部電場和內部電場結合在一起，既具有高靈敏度，又能夠實現較好的響應均勻性（圖3c）。無需高強度激光激發，使用黑體輻射源即可獲得較高響應。圖3d,e,f為探測器芯片性能表征，捕獲型成像芯片響應非均勻性約為4%，外量子效率達到175%，短波紅外室溫下比探測率約為2×1011Jones。

圖3 捕獲模式量子點紅外成像芯片。a. 8英寸ROIC晶圓和像素區域的放大視圖。b. 帶硅光學窗口封裝的量子點探測器。c. 烙鐵的可見光和短波紅外圖像由 (i)Si-CMOS成像芯片、(ii)銀離子摻雜的光伏成像芯片、(iii)光導型成像芯片和(iv)捕獲模式成像芯片所拍攝。尖端的溫度為 480℃。d. 來自光導成像芯片、空穴捕獲模式成像芯片和電子捕獲模式成像器的響應電平分布。e. 像素噪聲的分布。插圖顯示了捕獲模式成像芯片的噪聲mapping。在f. (1V)、g. (2V)、h. (3V)和i. (4V)的偏置電壓下探測器比探測率。

基于捕獲型器件工作原理，唐鑫教授團隊制造短波紅外及中波紅外成像芯片并用于紅外成像。對于具有增益機制的光電探測器，原理上，弱光會產生高增益，而強光環境下由于產生大量光載流子，導致捕獲層電荷飽和，則增益會降低，進而影響響應線性度。幸運的是，在多數典型成像環境中，此種非線性并未對圖像質量產生影響。對于短波紅外成像，需要鎢燈或陽光的外部照明，而中波紅外成像芯片可以捕獲室溫物體的熱輻射。通過采用HgTe量子點，成像范圍可以擴展到2.5μm，進而獲得更多的紅外信息。如圖4中所示，針對硅片后放置的水、四氯乙烯和異丙醇成像。不透明的硅片在短波紅外范圍內變得幾乎透明。由于C-H、O-H 和 C-Cl化學鍵的光吸收強度不同，這三種化學品在短波紅外圖像中顯示出不同程度的灰度值。除化學分析外，由于霧霾和云在反射率、散射和吸收方面存在差異，短波紅外圖像輕松區分。除短波紅外之外，研究團隊進一步展示了截止波長為5.5μm的中波紅外熱成像結果。與短波紅外不同，中波紅外成像芯片可以感知物體發出的紅外輻射，并給出場景的溫度分布。

圖4 a. 硅片后水、四氯乙烯和異丙醇的可見光和短波紅外圖像。b. 天空和建筑物的可見光和短波紅外圖像。c. 戴眼鏡的人臉的短波紅外圖像。d. ISO-12233測試圖的短波紅外圖像。e. 人臉、f. 人手和g. 冷、熱水的熱圖像。

該工作得到了中芯熱成科技（北京）有限責任公司（以下簡稱“中芯熱成”）在焦平面探測器制備和焦平面成像系統測試方面的大力支持。中芯熱成是國內首家專注于紅外量子點材料成像芯片領域的國家級高新技術企業，針對量子點、納米線、二維材料及鈣鈦礦等新型光電材料提供陣列型成像芯片制備、測試及封裝服務。圍繞低維量子材料推出下一代低成本、高分辨率成像芯片解決方案，突破傳統半導體倒裝鍵合工藝，開展低成本硅基讀出電路片上集成式成像芯片的封裝與測試業務，為國內高校、科研院所及工業用戶提供優質封裝、測試服務。目前已成功完成640×512、1280×1024陣列規模短波紅外、中波紅外焦平面陣列探測器制備及量產。

審核編輯 ：李倩