與現(xiàn)有分子束外延材料不同，膠體量子點可與互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）讀出電路實現(xiàn)直接片上電學互聯(lián)，并可利用CMOS讀出電路表面的鈍化層與金屬層形成諧振腔，提升量子點薄膜的光學吸收。該研究以“Megapixel large-format Colloidal Quantum-dot Infrared Imagers with Resonant-cavity enhanced Photoresponse”為題發(fā)表于APL. Photonics期刊。該論文的第一作者及共同一作為北京理工大學碩士生羅宇寧和北京理工大學碩士生譚伊玫，通訊作者為中芯熱成科技（北京）有限責任公司（以下簡稱“中芯熱成”）劉雁飛及北京理工大學唐鑫教授。量子點焦平面陣列包含1280 × 1024約133萬個像素，并可實現(xiàn)室溫運行、截止波長2.5 μm、高分辨率、高靈敏度的短波紅外成像。

圖1 a.諧振腔增強的碲化汞膠體量子點紅外探測器結構及制備流程示意圖；b.探測器界面示意圖；c.諧振腔電場分布仿真結果；d.不同光學間隔厚度下量子點薄膜光學吸收仿真結果。

在自動駕駛、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)檢測等領域，紅外探測及紅外成像受到了越來越多的關注。膠體量子點由于具有液相加工、硅基兼容等優(yōu)勢，可以提供一條不同于傳統(tǒng)外延材料的技術路線。通過旋涂等方式將量子點薄膜制備到讀出電路表面，量子點薄膜即可與讀出電路實現(xiàn)電學互聯(lián)。據(jù)麥姆斯咨詢報道，北京理工大學與中芯熱成研發(fā)團隊合作，提出通過將碲化汞（HgTe）與大陣列（1280 × 1024）CMOS讀出電路耦合，實現(xiàn)高分辨率的紅外探測器制備，提升探測器制造規(guī)模，實現(xiàn)晶圓級加工，極大地降低紅外探測器的生產(chǎn)成本，提升紅外探測器的有效像元率和產(chǎn)品合格率。更進一步，利用CMOS讀出電路表面鈍化層和金屬金屬層，形成法布里-珀羅諧振腔，增強量子點薄膜特定波段的光學吸收，提升探測器的性能。

通過將量子點溶液涂覆在讀出電路表面并經(jīng)過一配體交換溶液處理（圖1.a），量子點可與讀出電路形成電學互聯(lián)。通過讀出電路表面的鈍化層（SiO2, Si3N4）和金屬層構成諧振腔（圖1.b），可以增強量子點薄膜的光學吸收（圖1.c），通過調(diào)整鈍化層的厚度，利用諧振腔干涉峰實現(xiàn)對不同紅外波段的吸收增強（圖1.d）。由于塊體材料帶隙為零，碲化汞（HgTe）膠體量子點可以實現(xiàn)寬光譜短波紅外、中波紅外及長波紅外探測器制備。

圖2 a.探測器成像示意圖；b-d.短波紅外外景成像；e. ISO-12233分辨率測試卡成像效果；f.鹽（左）和糖（右）的短波紅外圖像和可見光圖像；g.不同材質(zhì)深色布料短波紅外圖像和可見光圖像；h.有癟痕的蘋果短波紅外圖像和可見光圖像。

圖2展示了該探測器在室外和室內(nèi)的良好成像能力。基于不同的紅外透過率及反射率，建筑物、植物和云在紅外圖像中呈現(xiàn)出不同的灰度值，可清晰分辨（圖2.b-d）。由于較高的大氣透過率，短波紅外展現(xiàn)出優(yōu)于可見光的遠距離成像能力且建筑物的細節(jié)也可以在紅外圖像中呈現(xiàn)出來（圖2.d）。該探測器的水平分辨率和垂直分辨率為42 lp/mm（每毫米線對）和40 lp/mm （圖2.e）。

基于化學鍵在短波紅外波段吸收的差異，該探測器在食品安全、工業(yè)檢測等領域有著廣泛的應用前景。肉眼難以分辨的糖和鹽，由于組成鹽的離子鍵在紅外呈現(xiàn)高透過率而組成糖的C-H共價鍵在紅外吸收很強，因此在紅外圖像中鹽呈現(xiàn)白色而糖呈現(xiàn)黑色，二者可以輕易區(qū)分（圖2.f）。不同材質(zhì)的布料在紅外圖像中也呈現(xiàn)出不同的灰度值（圖2.g 布料材質(zhì)從左到右、從上到下依次為：絲綢、棉綸、氨綸、羊毛、棉、滌綸）。由于水在短波紅外吸收強，該探測器可用于果蔬質(zhì)量的非破壞、非接觸式檢測（圖2. h）。

該項研究的突破能夠極大地簡化紅外探測器制備流程，實現(xiàn)低成本、高工藝合格率、可大規(guī)模生產(chǎn)的高性能紅外探測器，為紅外探測器制備提供了一個全新的技術路線。同時該工作得到了中芯熱成在焦平面探測器制備和焦平面成像系統(tǒng)測試方面的大力支持。中芯熱成是國內(nèi)首家專注于紅外量子材料成像芯片領域的高科技企業(yè)，專注于新型紅外量子材料器件制備及封裝技術，圍繞低維量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波紅外成像芯片解決方案，突破傳統(tǒng)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紅外芯片的封裝與測試業(yè)務。目前已完成320 × 256、640 × 512、1280 × 1024陣列規(guī)模短波紅外、中波紅外等焦平面陣列研發(fā)工作，并具備批量生產(chǎn)能力。

審核編輯：劉清