可见-短波红外成像芯片技术研究

据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学光电学院唐鑫教授等在宽光谱胶体量子点焦平面成像探测器领域取得新进展，针对硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器探测光谱范围仅限于可见光（0.4~0.7 μm）和近红外（0.8~1.1 μm）的问题，通过对修饰在读出电路上的胶体量子点材料（CQDs）使用直接光刻工艺构建多谱段宽光谱CMOS兼容探测器，实现从紫外到短波红外（300-2500nm）的探测。通过此项研究能够使用单片成像芯片实现单色或多光谱合并的高分辨率图像获取。

该研究以“Direct Optical Lithography Enabled Multispectral Colloidal Quantum-Dot Imagers from Ultraviolet to Short-Wave Infrared”为题发表于ACS Nano期刊。该论文的第一作者及共同一作为北京理工大学博士生张硕计和北京理工大学博士生毕成，通讯作者为陈梦璐教授、郝群教授及唐鑫教授。论文的第一单位为北京理工大学。

光电成像芯片作为人类认识世界的有力工具，帮助人类从分子尺度到行星天体去探索世界，拓宽人类知识的边界。红外（Infrared）和紫外（Ultraviolet）这类无法被人眼所感知的光谱自被发现以来，人类便开始痴迷于对这类可见光谱段外的世界进行探索。不论是能够穿云透雾的短波红外（1~2.5 μm）还是能够激发荧光的紫外（<0.4 μm），人们总是期待能够通过一款性能优异的光电探测器，使用自己的双眼去见证这具有神奇特性的光谱谱段下的世界。

氮化镓（GaN）、锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）和二类超晶格等块体半导体材料虽然能够拓宽CMOS探测器的光谱探测范围，但是这类块体半导体材料并不兼容硅基CMOS探测器，在加工过程中需要使用倒装键合等复杂工艺，导致探测器生产工艺的高成本和低合格率。同时紫外及红外光子能量差别很大，跨波段、跨带隙耦合极其困难。胶体量子点材料所具有的溶液特性，能够在量子点红外材料耦合CMOS读出电路后，允许使用直接光刻工艺对量子点薄膜进行图案化，通过平面耦合方式实现从紫外到红外的多波段宽光谱探测器制作。华中科技大学唐江教授团队通过使用硫化铅（PbS）量子点，实现了近红外量子点芯片制备，并在970nm红外照射下展现了良好的成像性能。

为突破波段瓶颈限制，北京理工大学唐鑫教授等提出利用碲化汞（HgTe）及钙钛矿胶体量子点材料拓宽CMOS的探测范围，提升探测器制造规模，实现晶圆级加工，极大地降低探测器的生产成本，提升工艺合格率。由于体材料带隙为零，碲化汞（HgTe）胶体量子点可实现短波红外、中波红外及长波红外探测器制备。

图1 a. 多波段宽光谱探测器布局；b. 配体交换过程和紫外像素、红外像素结构示意图。

多波段宽光谱探测器使用的硅基读出电路经过特殊定制并进行布局设计（图1.a）。其中一路通道为修饰有透明顶电极的像素，作为钙钛矿量子点的修饰区域，对紫外波段信号进行响应实现下转换过程。该像素通道能够在实现对可见光的捕捉外，还能应用于紫外场景中指纹识别等特殊信息采集；另一路通道是采用直接注入型电路作为采集放大电路的像素，在此区域内修饰碲化汞胶体量子点红外材料，能够对1~2.5 μm的短波红外信号进行捕捉，获得物体的红外特性以识别物质成分（图1.b）。

图2 量子点探测器在单色模式下的图像。a. 环境光和紫外光照射下的探测器照片；b. 读出电路和钙钛矿量子点修饰后的探测器响应分布图；c. 紫外光照射下的防晒霜照片；d. 可见光图像和紫外图像：（i）紫外LED照片，（ii）紫外探测器照片，（iii）修饰钙钛矿量子点的探测器探测照片，（iv）读出电路探测照片；e. 修饰有HgTe量子点的探测器拍摄的可见光照片和短波红外照片。

图2展示了使用该研究方法制作的多谱段宽光谱量子点探测器在单色模式下的探测效果图。在图2.c中可以看到，在紫外灯照射下，防晒霜呈现出黑色，说明紫外光被防晒霜所吸收，因此在涂抹防晒霜的区域紫外信号衰减严重显示黑色，也证明该探测器在此模式下的探测范围为紫外波段。图2.e则展示了四个短波成像中的经典场景，（i）（ii）（iii）展示短波红外能够穿透硅片，这是因为硅片的吸收波长截至到1.1 μm，而量子点探测器使用的HgTe量子点探测范围为1~2.5 μm，因此硅片在此探测波段范围内呈现透明状态。在（ii）中还展示了一个经典的短波红外应用场景，对化学药品的成分进行分辨。在短波红外探测模式下，透明的化学物质（从左到右：氯苯、乙醇、氯仿、水、乙酸丁酯）由于其内含化学键的不同对短波的吸收强度也不同，因而在图片中呈现出不同的灰度。（iv）则是展示了短波波段特有的穿云透雾成像能力。

图3 多谱段宽光谱量子点探测器及其探测图像。a. 多谱段宽光谱量子点探测器模组；b. 成像场景（包含电烙铁、硅片和紫外灯）；c. 采集的紫外图像、可见光图像和红外图像；d. 采集信息融合图像（红色通道为短波红外信息，蓝色通道为紫外信息，灰度通道为可见光信息）。

图3为使用多谱段宽光谱量子点探测器对包含580℃的电烙铁、硅片和紫外灯的场景进行成像，可以看到使用一个多谱段宽光谱量子点探测器模组便能够获取该场景下紫外、可见光、短波红外信息特征（电烙铁释放的能够穿透硅片的短波红外信息、紫外LED释放的紫外光信息、线材和紫外LED模组的可见光信息），通过图像的融合可以展现出从紫外到短波红外的光谱信息照片，提供更多的场景细节信息。

该项研究的突破能够极大地简化多波段相机的光学硬件和软件复杂性，降低相机体积和重量，助力实现多谱段相机的微小型平台化设计。该团队使用直接光刻工艺实现胶体量子点实现双色或多色焦平面阵列的思路，突破传统块体半导体材料倒装键合工艺完成探测器的多色探测耦合，在一个探测器中实现多波段探测和多色成像能力，极大降低多色探测器制作成本并提升制作工艺规模和产品合格率。同时该工作得到了中芯热成科技（北京）有限责任公司（以下简称“中芯热成”）在焦平面探测器制备和焦平面成像系统测试方面的大力支持。中芯热成是国内首家专注于红外量子材料成像芯片领域的高科技企业，专注于新型红外量子材料器件制备及封装技术，围绕低维量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波红外成像芯片解决方案，突破传统半导体倒装键合工艺，开展低成本硅基读出电路片上集成式红外芯片的封装与测试业务。目前已成功研制完成320×256、640×512、1280×1024阵列规模短波红外、中波红外等焦平面阵列研发工作，并具备批量产线设计和生产能力。

编辑：黄飞