據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學光電學院唐鑫教授等在寬光譜膠體量子點焦平面成像探測器領(lǐng)域取得新進展，針對硅基互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器探測光譜范圍僅限于可見光（0.4~0.7 μm）和近紅外（0.8~1.1 μm）的問題，通過對修飾在讀出電路上的膠體量子點材料（CQDs）使用直接光刻工藝構(gòu)建多譜段寬光譜CMOS兼容探測器，實現(xiàn)從紫外到短波紅外（300-2500nm）的探測。通過此項研究能夠使用單片成像芯片實現(xiàn)單色或多光譜合并的高分辨率圖像獲取。

該研究以“Direct Optical Lithography Enabled Multispectral Colloidal Quantum-Dot Imagers from Ultraviolet to Short-Wave Infrared”為題發(fā)表于ACS Nano期刊。該論文的第一作者及共同一作為北京理工大學博士生張碩計和北京理工大學博士生畢成，通訊作者為陳夢璐教授、郝群教授及唐鑫教授。論文的第一單位為北京理工大學。

光電成像芯片作為人類認識世界的有力工具，幫助人類從分子尺度到行星天體去探索世界，拓寬人類知識的邊界。紅外（Infrared）和紫外（Ultraviolet）這類無法被人眼所感知的光譜自被發(fā)現(xiàn)以來，人類便開始癡迷于對這類可見光譜段外的世界進行探索。不論是能夠穿云透霧的短波紅外（1~2.5 μm）還是能夠激發(fā)熒光的紫外（<0.4 μm），人們總是期待能夠通過一款性能優(yōu)異的光電探測器，使用自己的雙眼去見證這具有神奇特性的光譜譜段下的世界。

氮化鎵（GaN）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）和二類超晶格等塊體半導體材料雖然能夠拓寬CMOS探測器的光譜探測范圍，但是這類塊體半導體材料并不兼容硅基CMOS探測器，在加工過程中需要使用倒裝鍵合等復雜工藝，導致探測器生產(chǎn)工藝的高成本和低合格率。同時紫外及紅外光子能量差別很大，跨波段、跨帶隙耦合極其困難。膠體量子點材料所具有的溶液特性，能夠在量子點紅外材料耦合CMOS讀出電路后，允許使用直接光刻工藝對量子點薄膜進行圖案化，通過平面耦合方式實現(xiàn)從紫外到紅外的多波段寬光譜探測器制作。華中科技大學唐江教授團隊通過使用硫化鉛（PbS）量子點，實現(xiàn)了近紅外量子點芯片制備，并在970nm紅外照射下展現(xiàn)了良好的成像性能。

為突破波段瓶頸限制，北京理工大學唐鑫教授等提出利用碲化汞（HgTe）及鈣鈦礦膠體量子點材料拓寬CMOS的探測范圍，提升探測器制造規(guī)模，實現(xiàn)晶圓級加工，極大地降低探測器的生產(chǎn)成本，提升工藝合格率。由于體材料帶隙為零，碲化汞（HgTe）膠體量子點可實現(xiàn)短波紅外、中波紅外及長波紅外探測器制備。

圖1 a. 多波段寬光譜探測器布局；b. 配體交換過程和紫外像素、紅外像素結(jié)構(gòu)示意圖。

多波段寬光譜探測器使用的硅基讀出電路經(jīng)過特殊定制并進行布局設(shè)計（圖1.a）。其中一路通道為修飾有透明頂電極的像素，作為鈣鈦礦量子點的修飾區(qū)域，對紫外波段信號進行響應實現(xiàn)下轉(zhuǎn)換過程。該像素通道能夠在實現(xiàn)對可見光的捕捉外，還能應用于紫外場景中指紋識別等特殊信息采集；另一路通道是采用直接注入型電路作為采集放大電路的像素，在此區(qū)域內(nèi)修飾碲化汞膠體量子點紅外材料，能夠?qū)?~2.5 μm的短波紅外信號進行捕捉，獲得物體的紅外特性以識別物質(zhì)成分（圖1.b）。

圖2 量子點探測器在單色模式下的圖像。a. 環(huán)境光和紫外光照射下的探測器照片；b. 讀出電路和鈣鈦礦量子點修飾后的探測器響應分布圖；c. 紫外光照射下的防曬霜照片；d. 可見光圖像和紫外圖像：（i）紫外LED照片，（ii）紫外探測器照片，（iii）修飾鈣鈦礦量子點的探測器探測照片，（iv）讀出電路探測照片；e. 修飾有HgTe量子點的探測器拍攝的可見光照片和短波紅外照片。

圖2展示了使用該研究方法制作的多譜段寬光譜量子點探測器在單色模式下的探測效果圖。在圖2.c中可以看到，在紫外燈照射下，防曬霜呈現(xiàn)出黑色，說明紫外光被防曬霜所吸收，因此在涂抹防曬霜的區(qū)域紫外信號衰減嚴重顯示黑色，也證明該探測器在此模式下的探測范圍為紫外波段。圖2.e則展示了四個短波成像中的經(jīng)典場景，（i）（ii）（iii）展示短波紅外能夠穿透硅片，這是因為硅片的吸收波長截至到1.1 μm，而量子點探測器使用的HgTe量子點探測范圍為1~2.5 μm，因此硅片在此探測波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)透明狀態(tài)。在（ii）中還展示了一個經(jīng)典的短波紅外應用場景，對化學藥品的成分進行分辨。在短波紅外探測模式下，透明的化學物質(zhì)（從左到右：氯苯、乙醇、氯仿、水、乙酸丁酯）由于其內(nèi)含化學鍵的不同對短波的吸收強度也不同，因而在圖片中呈現(xiàn)出不同的灰度。（iv）則是展示了短波波段特有的穿云透霧成像能力。

圖3 多譜段寬光譜量子點探測器及其探測圖像。a. 多譜段寬光譜量子點探測器模組；b. 成像場景（包含電烙鐵、硅片和紫外燈）；c. 采集的紫外圖像、可見光圖像和紅外圖像；d. 采集信息融合圖像（紅色通道為短波紅外信息，藍色通道為紫外信息，灰度通道為可見光信息）。

圖3為使用多譜段寬光譜量子點探測器對包含580℃的電烙鐵、硅片和紫外燈的場景進行成像，可以看到使用一個多譜段寬光譜量子點探測器模組便能夠獲取該場景下紫外、可見光、短波紅外信息特征（電烙鐵釋放的能夠穿透硅片的短波紅外信息、紫外LED釋放的紫外光信息、線材和紫外LED模組的可見光信息），通過圖像的融合可以展現(xiàn)出從紫外到短波紅外的光譜信息照片，提供更多的場景細節(jié)信息。

該項研究的突破能夠極大地簡化多波段相機的光學硬件和軟件復雜性，降低相機體積和重量，助力實現(xiàn)多譜段相機的微小型平臺化設(shè)計。該團隊使用直接光刻工藝實現(xiàn)膠體量子點實現(xiàn)雙色或多色焦平面陣列的思路，突破傳統(tǒng)塊體半導體材料倒裝鍵合工藝完成探測器的多色探測耦合，在一個探測器中實現(xiàn)多波段探測和多色成像能力，極大降低多色探測器制作成本并提升制作工藝規(guī)模和產(chǎn)品合格率。同時該工作得到了中芯熱成科技（北京）有限責任公司（以下簡稱“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(lǐng)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(shù)，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。目前已成功研制完成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，并具備批量產(chǎn)線設(shè)計和生產(chǎn)能力。

編輯：黃飛