8英寸晶圓級(jí)膠體量子點(diǎn)短波/中波紅外焦平面成像陣列制備技術(shù)

紅外成像技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略及國(guó)防意義。當(dāng)前紅外成像芯片受限于高成本外延生長(zhǎng)方式和倒裝互聯(lián)芯片制備方法，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用存在成本限制。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，北京理工大學(xué)光電學(xué)院膠體量子點(diǎn)研究團(tuán)隊(duì)聚焦于膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)8英寸晶圓級(jí)短波紅外及中波紅外膠體量子點(diǎn)光電成像芯片制備，具有工藝簡(jiǎn)單、成品率高及便于民用普及等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究成果以“Wafer-scale Fabrication of CMOS-compatible Trapping-mode Infrared Imagers with Colloidal Quantum Dots”為題發(fā)表于ACS Photonics之上。該論文的第一作者及共同一作為北京理工大學(xué)博士生張碩、北京理工大學(xué)博士生畢成及北京理工大學(xué)博士生秦天令，通訊作者為陳夢(mèng)璐教授、郝群教授及唐鑫教授。論文的第一單位及第二單位為北京理工大學(xué)及中芯熱成科技（北京）有限責(zé)任公司。

圖1 捕獲型量子點(diǎn)紅外成像芯片

論文中提出了一種捕獲型紅外器件工作原理及設(shè)計(jì)方法（圖1）。通過液相配體交換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)摻雜類型及濃度的精準(zhǔn)調(diào)控。在近本征量子點(diǎn)薄膜頂層涂覆具有強(qiáng)電子摻雜的N型量子點(diǎn)層，進(jìn)而在器件垂直方向形成耗盡層及內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)入射紅外光子被量子點(diǎn)層吸收后，所激發(fā)光生載流子在垂直方向發(fā)生分離，電子被驅(qū)動(dòng)至頂層N型薄膜。由于量子點(diǎn)頂層未設(shè)置頂電極，因此電子無(wú)法流向外部電路進(jìn)而被“捕獲”于器件頂層。光生空穴則在水平電極所施加電場(chǎng)作用下發(fā)生移動(dòng)，形成光電流。由于量子點(diǎn)中“少子”電子被捕獲，“多子”空穴壽命得到大大延長(zhǎng)，進(jìn)而大幅提升器件靈敏度及響應(yīng)電流。捕獲型器件工作機(jī)理如圖2所示。

圖2 膠體量子點(diǎn)捕獲型器件工作原理及能帶結(jié)構(gòu)

捕獲型光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)與硅基ROICs完全兼容。量子點(diǎn)與ROICs的集成可以通過順序旋涂工藝完成。與垂直光電二極管結(jié)構(gòu)不同，捕獲型光電探測(cè)器不需要額外的頂層電極，大大降低了CMOS成像器件的制造復(fù)雜性。為了獲得最佳檢測(cè)性能，采用了具有阻抗匹配的定制ROICs，在8英寸晶圓上進(jìn)行晶圓級(jí)探測(cè)器制備（圖3a,b）。在此項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了三種不同類型的成像芯片，包括光導(dǎo)型、光伏型和捕獲型探測(cè)器。光導(dǎo)型量子點(diǎn)可以輸出均勻的圖像，但其探測(cè)效率有限，導(dǎo)致靈敏度低。盡管在原理上，光伏型成像芯片應(yīng)該具有最高的靈敏度及較低的暗電流和高量子效率。然而，在實(shí)際制造過程中，典型光伏HgTe量子點(diǎn)成像器會(huì)受到摻雜劑不可控?cái)U(kuò)散的影響，從而性能下降。捕獲型量子點(diǎn)成像芯片將外部電場(chǎng)和內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)合在一起，既具有高靈敏度，又能夠?qū)崿F(xiàn)較好的響應(yīng)均勻性（圖3c）。無(wú)需高強(qiáng)度激光激發(fā)，使用黑體輻射源即可獲得較高響應(yīng)。圖3d,e,f為探測(cè)器芯片性能表征，捕獲型成像芯片響應(yīng)非均勻性約為4%，外量子效率達(dá)到175%，短波紅外室溫下比探測(cè)率約為2×1011Jones。

圖3 捕獲模式量子點(diǎn)紅外成像芯片。a. 8英寸ROIC晶圓和像素區(qū)域的放大視圖。b. 帶硅光學(xué)窗口封裝的量子點(diǎn)探測(cè)器。c. 烙鐵的可見光和短波紅外圖像由 (i)Si-CMOS成像芯片、(ii)銀離子摻雜的光伏成像芯片、(iii)光導(dǎo)型成像芯片和(iv)捕獲模式成像芯片所拍攝。尖端的溫度為 480℃。d. 來自光導(dǎo)成像芯片、空穴捕獲模式成像芯片和電子捕獲模式成像器的響應(yīng)電平分布。e. 像素噪聲的分布。插圖顯示了捕獲模式成像芯片的噪聲mapping。在f. (1V)、g. (2V)、h. (3V)和i. (4V)的偏置電壓下探測(cè)器比探測(cè)率。

基于捕獲型器件工作原理，唐鑫教授團(tuán)隊(duì)制造短波紅外及中波紅外成像芯片并用于紅外成像。對(duì)于具有增益機(jī)制的光電探測(cè)器，原理上，弱光會(huì)產(chǎn)生高增益，而強(qiáng)光環(huán)境下由于產(chǎn)生大量光載流子，導(dǎo)致捕獲層電荷飽和，則增益會(huì)降低，進(jìn)而影響響應(yīng)線性度。幸運(yùn)的是，在多數(shù)典型成像環(huán)境中，此種非線性并未對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。對(duì)于短波紅外成像，需要鎢燈或陽(yáng)光的外部照明，而中波紅外成像芯片可以捕獲室溫物體的熱輻射。通過采用HgTe量子點(diǎn)，成像范圍可以擴(kuò)展到2.5μm，進(jìn)而獲得更多的紅外信息。如圖4中所示，針對(duì)硅片后放置的水、四氯乙烯和異丙醇成像。不透明的硅片在短波紅外范圍內(nèi)變得幾乎透明。由于C-H、O-H 和 C-Cl化學(xué)鍵的光吸收強(qiáng)度不同，這三種化學(xué)品在短波紅外圖像中顯示出不同程度的灰度值。除化學(xué)分析外，由于霧霾和云在反射率、散射和吸收方面存在差異，短波紅外圖像輕松區(qū)分。除短波紅外之外，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了截止波長(zhǎng)為5.5μm的中波紅外熱成像結(jié)果。與短波紅外不同，中波紅外成像芯片可以感知物體發(fā)出的紅外輻射，并給出場(chǎng)景的溫度分布。

圖4 a. 硅片后水、四氯乙烯和異丙醇的可見光和短波紅外圖像。b. 天空和建筑物的可見光和短波紅外圖像。c. 戴眼鏡的人臉的短波紅外圖像。d. ISO-12233測(cè)試圖的短波紅外圖像。e. 人臉、f. 人手和g. 冷、熱水的熱圖像。

該工作得到了中芯熱成科技（北京）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“中芯熱成”）在焦平面探測(cè)器制備和焦平面成像系統(tǒng)測(cè)試方面的大力支持。中芯熱成是國(guó)內(nèi)首家專注于紅外量子點(diǎn)材料成像芯片領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，針對(duì)量子點(diǎn)、納米線、二維材料及鈣鈦礦等新型光電材料提供陣列型成像芯片制備、測(cè)試及封裝服務(wù)。圍繞低維量子材料推出下一代低成本、高分辨率成像芯片解決方案，突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體倒裝鍵合工藝，開展低成本硅基讀出電路片上集成式成像芯片的封裝與測(cè)試業(yè)務(wù)，為國(guó)內(nèi)高校、科研院所及工業(yè)用戶提供優(yōu)質(zhì)封裝、測(cè)試服務(wù)。目前已成功完成640×512、1280×1024陣列規(guī)模短波紅外、中波紅外焦平面陣列探測(cè)器制備及量產(chǎn)。

審核編輯 ：李倩