8英寸晶圆级胶体量子点短波/中波红外焦平面成像阵列制备技术

红外成像技术具有重要的战略及国防意义。当前红外成像芯片受限于高成本外延生长方式和倒装互联芯片制备方法，大规模产业化应用存在成本限制。据麦姆斯咨询报道，北京理工大学光电学院胶体量子点研究团队聚焦于胶体量子点红外成像芯片技术，实现8英寸晶圆级短波红外及中波红外胶体量子点光电成像芯片制备，具有工艺简单、成品率高及便于民用普及等优点。相关研究成果以“Wafer-scale Fabrication of CMOS-compatible Trapping-mode Infrared Imagers with Colloidal Quantum Dots”为题发表于ACS Photonics之上。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、北京理工大学博士生毕成及北京理工大学博士生秦天令，通讯作者为陈梦璐教授、郝群教授及唐鑫教授。论文的第一单位及第二单位为北京理工大学及中芯热成科技（北京）有限责任公司。

图1 捕获型量子点红外成像芯片

论文中提出了一种捕获型红外器件工作原理及设计方法（图1）。通过液相配体交换的方法，实现对量子点掺杂类型及浓度的精准调控。在近本征量子点薄膜顶层涂覆具有强电子掺杂的N型量子点层，进而在器件垂直方向形成耗尽层及内建电场。当入射红外光子被量子点层吸收后，所激发光生载流子在垂直方向发生分离，电子被驱动至顶层N型薄膜。由于量子点顶层未设置顶电极，因此电子无法流向外部电路进而被“捕获”于器件顶层。光生空穴则在水平电极所施加电场作用下发生移动，形成光电流。由于量子点中“少子”电子被捕获，“多子”空穴寿命得到大大延长，进而大幅提升器件灵敏度及响应电流。捕获型器件工作机理如图2所示。

图2 胶体量子点捕获型器件工作原理及能带结构

捕获型光电探测器的设计与硅基ROICs完全兼容。量子点与ROICs的集成可以通过顺序旋涂工艺完成。与垂直光电二极管结构不同，捕获型光电探测器不需要额外的顶层电极，大大降低了CMOS成像器件的制造复杂性。为了获得最佳检测性能，采用了具有阻抗匹配的定制ROICs，在8英寸晶圆上进行晶圆级探测器制备（图3a,b）。在此项工作中，团队系统研究了三种不同类型的成像芯片，包括光导型、光伏型和捕获型探测器。光导型量子点可以输出均匀的图像，但其探测效率有限，导致灵敏度低。尽管在原理上，光伏型成像芯片应该具有最高的灵敏度及较低的暗电流和高量子效率。然而，在实际制造过程中，典型光伏HgTe量子点成像器会受到掺杂剂不可控扩散的影响，从而性能下降。捕获型量子点成像芯片将外部电场和内部电场结合在一起，既具有高灵敏度，又能够实现较好的响应均匀性（图3c）。无需高强度激光激发，使用黑体辐射源即可获得较高响应。图3d,e,f为探测器芯片性能表征，捕获型成像芯片响应非均匀性约为4%，外量子效率达到175%，短波红外室温下比探测率约为2×10¹¹Jones。

图3 捕获模式量子点红外成像芯片。a. 8英寸ROIC晶圆和像素区域的放大视图。b. 带硅光学窗口封装的量子点探测器。c. 烙铁的可见光和短波红外图像由 (i)Si-CMOS成像芯片、(ii)银离子掺杂的光伏成像芯片、(iii)光导型成像芯片和(iv)捕获模式成像芯片所拍摄。尖端的温度为 480℃。d. 来自光导成像芯片、空穴捕获模式成像芯片和电子捕获模式成像器的响应电平分布。e. 像素噪声的分布。插图显示了捕获模式成像芯片的噪声mapping。在f. (1V)、g. (2V)、h. (3V)和i. (4V)的偏置电压下探测器比探测率。

基于捕获型器件工作原理，唐鑫教授团队制造短波红外及中波红外成像芯片并用于红外成像。对于具有增益机制的光电探测器，原理上，弱光会产生高增益，而强光环境下由于产生大量光载流子，导致捕获层电荷饱和，则增益会降低，进而影响响应线性度。幸运的是，在多数典型成像环境中，此种非线性并未对图像质量产生影响。对于短波红外成像，需要钨灯或阳光的外部照明，而中波红外成像芯片可以捕获室温物体的热辐射。通过采用HgTe量子点，成像范围可以扩展到2.5µm，进而获得更多的红外信息。如图4中所示，针对硅片后放置的水、四氯乙烯和异丙醇成像。不透明的硅片在短波红外范围内变得几乎透明。由于C-H、O-H 和 C-Cl化学键的光吸收强度不同，这三种化学品在短波红外图像中显示出不同程度的灰度值。除化学分析外，由于雾霾和云在反射率、散射和吸收方面存在差异，短波红外图像轻松区分。除短波红外之外，研究团队进一步展示了截止波长为5.5µm的中波红外热成像结果。与短波红外不同，中波红外成像芯片可以感知物体发出的红外辐射，并给出场景的温度分布。

图4 a. 硅片后水、四氯乙烯和异丙醇的可见光和短波红外图像。b. 天空和建筑物的可见光和短波红外图像。c. 戴眼镜的人脸的短波红外图像。d. ISO-12233测试图的短波红外图像。e. 人脸、f. 人手和g. 冷、热水的热图像。

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点材料成像芯片领域的国家级高新技术企业，针对量子点、纳米线、二维材料及钙钛矿等新型光电材料提供阵列型成像芯片制备、测试及封装服务。围绕低维量子材料推出下一代低成本、高分辨率成像芯片解决方案，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成像芯片的封装与测试业务，为国内高校、科研院所及工业用户提供优质封装、测试服务。目前已成功完成640×512、1280×1024阵列规模短波红外、中波红外焦平面阵列探测器制备及量产。

审核编辑 ：李倩