一種在近紅外波長下工作的高效膠體量子點成像儀

機器人技術、自動駕駛和計算機視覺領域的進步增加了對能夠在不同環境條件下可靠地收集數據的高性能傳感器的需求。這包括可以在近紅外波長(即0.7–1.4µm)下工作的成像儀，因此有可能在復雜或不利的大氣條件下(例如有雨、霧和煙霧)收集高分辨率圖像。

華中科技大學(HUST)、海思光電有限公司和光谷實驗室的研究人員最近開發了一種近紅外膠體量子點(CQD)成像儀。在NatureElectronics上發表的一篇論文中介紹了這種高效成像儀。

“我們小組于2012年在華中科技大學武漢光電子國家實驗室成立，并與張建兵副教授持續開展CQD材料和器件的研究，”參與該研究的研究人員之一高亮告訴TechXplore。

唐高和同事最近的工作是他們與總部位于上海的知名半導體公司海思光電有限公司合作的產物，該公司于2018年啟動。四年前他們獲得公司的資金后，研究人員他們的大部分研究工作都集中在高性能CQD成像儀的開發上。

“我們長期以來一直在研究我們的CQD成像儀，”該研究的首席研究員江唐告訴TechXplore。“我畢業于多倫多大學，師從CQD紅外光電探測器先驅、InVisage公司創始人EdwardSargent教授。我們HUST團隊的主要任務是構建可靠且低成本的近短紅外成像儀。”

傳統的近紅外成像器是通過異質集成外延生長的光電二極管陣列和硅基讀出集成電路(ROIC)制造的。相比之下，Tang、Gao和他們的同事介紹的CQD成像器是通過CQD光電二極管陣列和硅基ROIC的單片集成創建的。

CQD是納米尺寸的半導體晶體，含有表面配體，可以分散在溶劑中。這些晶體具有良好的光學、電子和物理特性，使其非常有希望用于開發多種技術，包括成像儀、發光二極管和氣體傳感器。

“CQD光電二極管陣列將入射光子轉換為電子，而基于硅的ROIC操縱光生電子以輸出圖像信號，”高解釋說。“與異構集成成像器相比，單片集成可能使CQD成像器的像素尺寸更小，分辨率更高。”

由于紅外光電二極管和硅基電路之間集成的復雜性，過去推出的大多數近紅外成像儀的生產成本都很高。另一方面，新成像儀獨特的設計和制造工藝使其更容易實現，顯著降低了生產成本。

“我們直接將傳感層沉積在ROIC之上，”Tang解釋說。“我們成像儀的獨特優勢是單片集成，可以實現12英寸晶圓集成并限制生產成本。我們從化學品一直到最終芯片，實現了一個好的成像儀。”

該研究人員團隊是首批展示頂部照明CQD光電二極管陣列與硅基ROIC技術集成的研究人員之一。在最初的測試中，他們的光電二極管(即光電探測器)的光譜范圍為400–1,300nm，室溫探測率為2.1×1012 Jones，-3dB帶寬為140kHz，線性動態范圍超過100dB。

到目前為止，唐、高和他的同事已經使用他們新開發的光電二極管創建了一個大型成像器(640x512像素)。他們發現該成像儀具有顯著的效率和空間分辨率。

“由于開發的器件結構，我們的CQD成像儀在已報道的CQD成像儀中顯示出最高的63%的外部量子效率，”高說。“我們新的CQD成像儀的詳細介紹可以為專門從事新興單片集成成像儀領域的研究人員和技術人員提供參考。”

未來，這種新型CQD成像儀可用于收集靜脈、生物系統和物質粒子的高分辨率圖像。在接下來的研究中，研究人員計劃開發波長更長、分辨率更高的CQD成像儀。此外，他們還想嘗試使用他們的單片集成策略將其他功能傳感器與基于硅的電路集成。

“在我們未來的工作中，我們將提高成像儀的分辨率(1Kx1K)、波長(1700nm及以上)和穩定性(維持120C甚至150C以滿足嚴格的汽車應用要求)，同時努力創造更大的晶圓(從4英寸到12英寸)，”唐補充道。