硅基单片集成胶体量子点短波红外成像芯片 | 应用物理前沿推介系列No.29
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本期推介
硅基单片集成胶体量子点短波红外成像芯片
目前高端光芯片、模组严重依赖进口，发展受到制约。攻关高端芯片，保障工艺链安全，是十一五以来我国重要的战略发展需要。工信部和科技部先后呼吁“做大光产业，做强芯产业，拓展端产业，布局网产业。产学研需要形成面对产业需求的创新合力，需要着力突破重点领域共性关键技术，加速科技成果转化为现实生产力。”
红外成像芯片凭借探测距离大、穿透力强以及可全天候工作等优点，在军事、商业、公共服务和科学研究中均具有重要的战略价值。然而，面向其规模化应用，红外探测技术在分辨率、制造成本方面仍存在发展瓶颈。以几乎垄断市场的InGaAs红外探测器为例，它通常依赖于液相或气相外延技术进行加工与制备，复杂的工艺高昂的原料与设备使其制造成本高居不下。同时，现阶段其也难以实现与硅基CMOS读出电路的单片低温一体化集成，而是通过复杂的倒装键合技术将探测器与硅基读出电路连接而制造的。随着像素数量的增加、像元尺寸的减小，键合难度增大，良率下降，不仅限制了分辨率的提升，还导致成本大幅上升。例如，分辨率640×512的商用HAMAMATSU InGaAs相机价格约为20000美元，这高昂的价格让红外探测器被戏称为光芯片中的奢侈品，也使红外成像芯片难以在智能手机、自动驾驶等领域应用。此外，我们还面临着美日等发达国家对相关核心技术进行垄断的难题，其在技术、产品、人才等多维度实施严格的对华封锁。
因此，突破现有红外成像芯片在大面阵集成、规模化应用方面的限制瓶颈，开发新型的高分辨、超低成本的全链条技术自主化红外成像芯片是打破现有“卡脖子”现状，助力中国“芯”发展的必由之路。同时，实现红外光电二极管与硅基ROIC的单片集成是显著提升红外成像芯片分辨率、降低芯片成本的最可行方法。在数十倍提升红外成像芯片分辨率的条件下，还有望实现成本超过100倍的降低，使红外成像芯片在智能手机、自动驾驶等消费级产品的应用成为可能。
目前，国内研究团队利用激子吸收峰在940 nm的PbS胶体量子点，经过液相配体交换获得旋涂用的纳米墨水，依托溶液法能够实现与硅基CMOS读出电路的低温单片异质集成[1]。但距离实际芯片应用仍有许多需要进一步解决的问题。如何选择合适的器件结构在实现硅基兼容的基础上提升探测性能？与InGaAs不同，在功能层制备过程中容易造成其损伤破坏引入大量界面缺陷，如何对其进行有效的保护？
为了更好的解决此类问题，研究人员根据PbS CQD的特性，设计出了适配硅基ROIC的顶入射结构的光电二极管（图1），通过模拟分析和实验优化器件结构，使耗尽区靠近入射光，实现了光生载流子的有效分离与收集，从而提高器件外量子效率。针对磁控溅射中高能粒子对PbS CQD界面的损伤，引入C60界面钝化层降低界面缺陷，并通过驱动级电容和电容-电压测量分析证明了探测器缺陷浓度降低至2.3×1016cm-3，接近广泛研究的PbS CQD光电二极管的最佳值，顶入射PbS CQD光电二极管的响应截止波长为1300nm，室温探测率达2.1×1012Jones，3dB带宽为140kHz，线性动态范围超过100dB。
图 1. PbS CQD成像芯片结构示意图。
基于最优的PbS CQD光电二极管，该工作实现了国内首款基于CMOS读出电路的单片集成PbS CQD红外成像芯片，其像素尺寸为15μm，像素规模高达640×512，空间分辨率为40lp/mm（MTF50）。该芯片展示了在水果检测、溶剂识别、静脉成像等方面的应用，具有可与商用InGaAs成像芯片媲美的成像效果，证明了其广泛的应用潜力。与迄今为止报道的所有量子点成像阵列相比，该芯片红外峰值外量子效率高达63%，约为同类型PbS CQD芯片的两倍；同时暗电流密度约为17.8nA/cm2，也处于同类型芯片的最低水平。
图 2. PbS CQD成像芯片成像效果展示。
图2展示了PbS CQD成像芯片的功能验证与实拍应用。智能手机（硅基成像芯片）和PbS CQD成像芯片在自然光照射下拍摄的苹果和水图片，表明芯片实现了水果表面探伤的功能。在940nm光照下，分别使用PbS CQD成像芯片和InGaAs成像芯片拍摄的手掌静脉血管的照片，对比发现所制备的芯片灰度对比更大，细节信息更鲜明；在物质辨别功能方面，以可见光下均为透明无色的水和乙醇作为对参照，在940nm光照下PbS CQD成像芯片拍摄的照片能清洗分辨出两种溶液，同时图像清晰度比InGaAs成像芯片拍摄的照片更高，对比度更鲜明。
PbS CQDs红外探测芯片的制备是国内红外领域的一个新突破，更是一个新的起点，一寸长一寸强的探测领域，进一步拓展探测波长获取更多有效信息，开发超大面阵、高光谱、曲面探测等新应用场景仍存在较大挑战，更多的难题需要解决。
推介人
王鹏 上海技术物理研究所，研究员，主要研究方向为红外探测机理与器件，硅基阻挡杂质带红外探测器，高灵敏碲镉汞雪崩红外探测器，新型低维半导体红外探测器等。
参考资料
[1] Jing Liu, Peilin Liu, Dengyang Chen, Tailong Shi, Xixi Qu, Long Chen, Tong Wu, Jiangping Ke, Kao Xiong, Mingyu Li, Haisheng Song, Wei Wei, Junkai Cao, Jianbing Zhang, Liang Gao & Jiang Tang, A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry, Nature Electronics, 2022, 5, 443.
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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