面向百萬像素膠體量子點焦平面的片上諧振腔增強技術(shù)

與現(xiàn)有分子束外延材料不同，膠體量子點可與互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）讀出電路實現(xiàn)直接片上電學(xué)互聯(lián)，并可利用CMOS讀出電路表面的鈍化層與金屬層形成諧振腔，提升量子點薄膜的光學(xué)吸收。該研究以“Megapixel large-format Colloidal Quantum-dot Infrared Imagers with Resonant-cavity enhanced Photoresponse”為題發(fā)表于APL. Photonics期刊。該論文的第一作者及共同一作為北京理工大學(xué)碩士生羅宇寧和北京理工大學(xué)碩士生譚伊玫，通訊作者為中芯熱成科技（北京）有限責(zé)任公司（以下簡稱“中芯熱成”）劉雁飛及北京理工大學(xué)唐鑫教授。量子點焦平面陣列包含1280 × 1024約133萬個像素，并可實現(xiàn)室溫運行、截止波長2.5 μm、高分辨率、高靈敏度的短波紅外成像。

圖1 a.諧振腔增強的碲化汞膠體量子點紅外探測器結(jié)構(gòu)及制備流程示意圖；b.探測器界面示意圖；c.諧振腔電場分布仿真結(jié)果；d.不同光學(xué)間隔厚度下量子點薄膜光學(xué)吸收仿真結(jié)果。

在自動駕駛、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)檢測等領(lǐng)域，紅外探測及紅外成像受到了越來越多的關(guān)注。膠體量子點由于具有液相加工、硅基兼容等優(yōu)勢，可以提供一條不同于傳統(tǒng)外延材料的技術(shù)路線。通過旋涂等方式將量子點薄膜制備到讀出電路表面，量子點薄膜即可與讀出電路實現(xiàn)電學(xué)互聯(lián)。據(jù)麥姆斯咨詢報道，北京理工大學(xué)與中芯熱成研發(fā)團隊合作，提出通過將碲化汞（HgTe）與大陣列（1280 × 1024）CMOS讀出電路耦合，實現(xiàn)高分辨率的紅外探測器制備，提升探測器制造規(guī)模，實現(xiàn)晶圓級加工，極大地降低紅外探測器的生產(chǎn)成本，提升紅外探測器的有效像元率和產(chǎn)品合格率。更進一步，利用CMOS讀出電路表面鈍化層和金屬金屬層，形成法布里-珀羅諧振腔，增強量子點薄膜特定波段的光學(xué)吸收，提升探測器的性能。

通過將量子點溶液涂覆在讀出電路表面并經(jīng)過一配體交換溶液處理（圖1.a），量子點可與讀出電路形成電學(xué)互聯(lián)。通過讀出電路表面的鈍化層（SiO2, Si3N4）和金屬層構(gòu)成諧振腔（圖1.b），可以增強量子點薄膜的光學(xué)吸收（圖1.c），通過調(diào)整鈍化層的厚度，利用諧振腔干涉峰實現(xiàn)對不同紅外波段的吸收增強（圖1.d）。由于塊體材料帶隙為零，碲化汞（HgTe）膠體量子點可以實現(xiàn)寬光譜短波紅外、中波紅外及長波紅外探測器制備。

圖2 a.探測器成像示意圖；b-d.短波紅外外景成像；e. ISO-12233分辨率測試卡成像效果；f.鹽（左）和糖（右）的短波紅外圖像和可見光圖像；g.不同材質(zhì)深色布料短波紅外圖像和可見光圖像；h.有癟痕的蘋果短波紅外圖像和可見光圖像。

圖2展示了該探測器在室外和室內(nèi)的良好成像能力?；诓煌募t外透過率及反射率，建筑物、植物和云在紅外圖像中呈現(xiàn)出不同的灰度值，可清晰分辨（圖2.b-d）。由于較高的大氣透過率，短波紅外展現(xiàn)出優(yōu)于可見光的遠距離成像能力且建筑物的細(xì)節(jié)也可以在紅外圖像中呈現(xiàn)出來（圖2.d）。該探測器的水平分辨率和垂直分辨率為42 lp/mm（每毫米線對）和40 lp/mm （圖2.e）。

基于化學(xué)鍵在短波紅外波段吸收的差異，該探測器在食品安全、工業(yè)檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。肉眼難以分辨的糖和鹽，由于組成鹽的離子鍵在紅外呈現(xiàn)高透過率而組成糖的C-H共價鍵在紅外吸收很強，因此在紅外圖像中鹽呈現(xiàn)白色而糖呈現(xiàn)黑色，二者可以輕易區(qū)分（圖2.f）。不同材質(zhì)的布料在紅外圖像中也呈現(xiàn)出不同的灰度值（圖2.g 布料材質(zhì)從左到右、從上到下依次為：絲綢、棉綸、氨綸、羊毛、棉、滌綸）。由于水在短波紅外吸收強，該探測器可用于果蔬質(zhì)量的非破壞、非接觸式檢測（圖2. h）。

該項研究的突破能夠極大地簡化紅外探測器制備流程，實現(xiàn)低成本、高工藝合格率、可大規(guī)模生產(chǎn)的高性能紅外探測器，為紅外探測器制備提供了一個全新的技術(shù)路線。同時該工作得到了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(dǎo)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(wù)。目前已完成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，并具備批量生產(chǎn)能力。

審核編輯：劉清