淺析硫汞族量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)技術(shù)

碲鎘汞（HgCdTe）、銻化銦（InSb）和銦鎵砷（InGaSb）等塊體半導(dǎo)體紅外探測(cè)器的優(yōu)異性能使得其在制導(dǎo)、遙感、偵察等軍事及航天領(lǐng)域均發(fā)揮了重要作用。然而，受限于復(fù)雜的分子束外延生長(zhǎng)及倒裝鍵合工藝，現(xiàn)有塊體半導(dǎo)體紅外探測(cè)器成本高昂、工藝復(fù)雜、極大制約了成像陣列規(guī)模和分辨率的進(jìn)一步提升。膠體量子點(diǎn)作為一種新興的半導(dǎo)體納米晶體材料，因“量子限域”效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬譜段范圍內(nèi)的精準(zhǔn)帶隙調(diào)控。同時(shí)，膠體量子點(diǎn)可通過液相化學(xué)合成方法低成本大批量制備。

此外，膠體量子點(diǎn)的液相加工工藝使得其可以與硅基讀出電路進(jìn)行直接片上電學(xué)耦合，突破了倒裝鍵合工藝限制。因此，膠體量子點(diǎn)在紅外探測(cè)及成像領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。其中硫汞族量子點(diǎn)具有探測(cè)波段范圍寬、物性調(diào)控易及便于硅基集成等優(yōu)勢(shì)，先后實(shí)現(xiàn)了中波紅外背景限探測(cè)、雙色探測(cè)及焦平面陣列成像等，在紅外光電技術(shù)展示了巨大的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京理工大學(xué)和精密光電測(cè)試儀器及技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“硫汞族量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)技術(shù)”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為郝群教授，主要從事新型光電成像技術(shù)、仿生光電感測(cè)技術(shù)、抗振干涉測(cè)量技術(shù)及儀器等方面的研究工作。

本文概括性地介紹了硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展、硫汞族膠體量子點(diǎn)焦平面陣列的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)硫汞族膠體量子點(diǎn)在各類探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，簡(jiǎn)要討論了硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的發(fā)展進(jìn)程。最后對(duì)硫汞族膠體量子點(diǎn)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了討論與展望。

圖1 膠體量子點(diǎn)技術(shù)

硫汞族膠體量子點(diǎn)單點(diǎn)型紅外探測(cè)器

膠體量子點(diǎn)光吸收過程主要分為帶間躍遷吸收及帶內(nèi)躍遷吸收兩種。帶間躍遷發(fā)生于量子點(diǎn)導(dǎo)帶與價(jià)帶之間。當(dāng)入射光能量大于或等于帶間帶隙時(shí)，入射光子能量可激發(fā)導(dǎo)帶內(nèi)電子躍遷，形成光吸收進(jìn)而產(chǎn)生光生載流子。帶內(nèi)躍遷發(fā)生于導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)，只有當(dāng)入射光子能量等于帶間帶隙時(shí)，光子能量才可被吸收，進(jìn)而形成載流子。帶內(nèi)躍遷的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)量子點(diǎn)摻雜濃度及費(fèi)米能級(jí)的精確調(diào)控。帶內(nèi)躍遷型量子點(diǎn)優(yōu)勢(shì)之一為可以突破小帶隙材料這一限制，開發(fā)基于寬帶隙材料如金屬氧化物（氧化鎘、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅等）的量子點(diǎn)體系。

硫汞族膠體量子點(diǎn)帶間躍遷紅外探測(cè)器

硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器主要包括三類：光導(dǎo)型、光晶體管和光伏型。光導(dǎo)型探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過在叉指電極上沉積膠體量子點(diǎn)來制備。盡管制備方便，光導(dǎo)型器件存在暗電流及噪聲大等問題。與光導(dǎo)型器件相比，光伏型器件在理論上可以避免1/f噪聲和暗電流，可以大大提高器件的靈敏度。

圖2 美國(guó)芝加哥大學(xué)在硫汞族膠體量子點(diǎn)帶間躍遷紅外探測(cè)器方面的研究

硫汞族膠體量子點(diǎn)早期研究起源于美國(guó)芝加哥大學(xué)Guyot-Sionnest 教授團(tuán)隊(duì)。2011年芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了首個(gè)碲化汞膠體量子點(diǎn)中波紅外光電探測(cè)器，基于帶間躍遷過程，器件響應(yīng)波段范圍可覆蓋1.7 μm到5 μm，比探測(cè)率達(dá)到10? Jones。2015年，該團(tuán)隊(duì)基于碲化銀摻雜方法，開發(fā)了第一個(gè)達(dá)到背景限紅外探測(cè)性能的量子點(diǎn)探測(cè)器，比探測(cè)率達(dá)到4.2×101? Jones，響應(yīng)時(shí)間在μs級(jí)別，器件結(jié)構(gòu)如圖2a所示。2018年，該團(tuán)隊(duì)通過氯化汞激活的碲化銀摻雜方法進(jìn)一步提高了光電探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)速度，如圖2b-c所示。

2019年，在前期單波段探測(cè)器研究及摻雜工藝基礎(chǔ)之上，通過使用垂直堆疊的膠體量子點(diǎn)光電二極管結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了雙波段短波紅外及中波紅外探測(cè)器的制備，在兩個(gè)不同的波段提供了可偏置切換的光譜響應(yīng)，如圖2d所示。雙波段器件由一個(gè)短波和一個(gè)中波紅外光電二極管組成，以n-p-n背靠背結(jié)構(gòu)排列，硒化鉍和碲化銀分別作為n層和p層。通過控制偏置極性和幅度，它可以在調(diào)制頻率高達(dá)100 kHz的短波和中波紅外之間快速切換（圖2e），比探測(cè)率在低溫下高于101? Jones。

為解決量子點(diǎn)紅外探測(cè)器批量化制備需求，突破傳統(tǒng)外延紅外材料產(chǎn)量及成膜均勻性瓶頸，2020年，北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群、唐鑫及陳夢(mèng)璐團(tuán)隊(duì)首先提出并實(shí)現(xiàn)了一種高效的掩膜式噴涂光刻技術(shù)。膠體量子點(diǎn)在成膜過程中，量子點(diǎn)位置、間距可沿應(yīng)力最小方向重排，解決傳統(tǒng)外延材料晶格失配及應(yīng)力失調(diào)難題，可以在4英寸剛性、柔性和彎曲的基底之上沉積厚度均勻、表面光滑的膠體量子點(diǎn)薄膜（圖3a-b）。所制備的六通道的柔性多光譜碲化汞膠體量子點(diǎn)探測(cè)器，可在光導(dǎo)型和光伏型模式下運(yùn)行，且覆蓋短波和中波紅外響應(yīng)波段，其峰值比探測(cè)率高于1011 Jones，并且其噪聲等效溫差低至26.7 mK。通過所提出的噴涂光刻方法制造了具有可以對(duì)不同的光譜范圍做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)寬光譜多波段探測(cè)（圖3c）。

以此為基礎(chǔ)，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)先后在可見光-短波紅外雙波段探測(cè)、短波紅外-中波紅外雙模式探測(cè)及光學(xué)諧振增強(qiáng)的雙色紅外探測(cè)方面實(shí)現(xiàn)突破。從單一波段到多波段探測(cè)的提升依賴于能帶結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。首先，該團(tuán)隊(duì)通過探索背靠背雙光電二極管結(jié)構(gòu)，提出了一種基于硫族膠體量子點(diǎn)（碲化汞和碲化鎘膠體量子點(diǎn)）的雙波段可見光和短波紅外探測(cè)器。通過在碲化鎘和碲化汞層之間引入了n型氧化鋅層作為電子傳輸層和空穴阻擋層，防止來自不同傳感層的空穴注入，使探測(cè)器能夠通過改變偏置電壓的極性和大小在可見光和短波紅外模式之間切換，且比探測(cè)率高于1011 Jones，如圖3d-f所示。

圖3 北京理工大學(xué)在硫汞族膠體量子點(diǎn)帶間躍遷紅外探測(cè)器方面的研究

2022年，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種膠體量子點(diǎn)雙模式能帶設(shè)計(jì)及疊層探測(cè)器結(jié)構(gòu)，能夠探測(cè)、分離和融合來自不同波長(zhǎng)范圍的光子（圖4a）。利用三個(gè)垂直堆疊的膠體量子點(diǎn)同質(zhì)結(jié)，通過控制偏置極性和大小，在同一個(gè)探測(cè)器上可以實(shí)現(xiàn)單波段短波紅外成像和融合波段成像（圖4b-c）。雙模式探測(cè)器的探測(cè)率分別達(dá)到融合波段模式8×101? Jones和在單波段模式3.1×1011 Jones。雙波段探測(cè)器的出現(xiàn)為光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求，傳統(tǒng)光學(xué)增強(qiáng)方法如等離子共振、光子晶體、超材料等大多針對(duì)單一波段，為實(shí)現(xiàn)雙/多波段探測(cè)器的性能提升，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了一種膠體量子點(diǎn)雙波段紅外光電探測(cè)器法布里-珀羅諧振腔的設(shè)計(jì)及集成方式，可以同時(shí)針對(duì)短波和中波紅外提供光吸收增強(qiáng)（圖4d）。同時(shí)，由于諧振腔的存在，探測(cè)器的性能可以通過提高光學(xué)收集效率和光譜選擇性而得到提升。

該雙波段探測(cè)器在短波和中波紅外中的響應(yīng)率分別為1.1 A W?1和1.6 A W?1，增強(qiáng)率約200%-300%（圖4e-f）。在高溫運(yùn)行方面，該團(tuán)隊(duì)利用高遷移率膠體量子點(diǎn)研究了一個(gè)具有量子點(diǎn)梯度AOS同質(zhì)結(jié)的常溫中紅外光電探測(cè)器。該探測(cè)器在80K時(shí)在4.2 μm上實(shí)現(xiàn)了背景限制性能，比探測(cè)率達(dá)到2.7 × 1011 Jones，在200 K前高于1011 Jones，在280 K前高于101? Jones，在300 K時(shí)在3.5 μm截止波長(zhǎng)上達(dá)到7.6 × 10? Jones。光譜儀、化學(xué)傳感器和熱像儀等應(yīng)用也得到了驗(yàn)證，如圖4g-i所示。

圖4 北京理工大學(xué)在硫汞族膠體量子點(diǎn)帶間躍遷紅外探測(cè)器方面的研究

硫汞族膠體量子點(diǎn)帶內(nèi)躍遷紅外探測(cè)器

與碲化汞寬光譜吸收與探測(cè)不同，硒化汞量子點(diǎn)由于采用帶內(nèi)躍遷吸收方式，可以實(shí)現(xiàn)窄帶光響應(yīng)。2014年，美國(guó)芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了基于硒化汞膠體量子點(diǎn)的帶內(nèi)躍遷型紅外探測(cè)器（圖5a）。探測(cè)器帶內(nèi)吸收峰約為2000 cm?1-3000 cm?1，覆蓋中波紅外范圍，最大的響應(yīng)度為1.2 × 10?2 A W?1。通過摻雜調(diào)控，可使導(dǎo)帶被兩個(gè)電子充滿，獲得最小暗電流，隨著器件工作溫度從300 K的溫度冷卻到80 K，暗電流可以減少3200倍，在80 K時(shí)比探測(cè)率達(dá)到8.5 × 10? Jones。同年，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)了強(qiáng)約束膠體量子點(diǎn)的量子態(tài)中存在穩(wěn)定的載流子并實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)光致發(fā)光。2016年，芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了空氣穩(wěn)定的n型摻雜硫化汞膠體量子點(diǎn)和硫化汞/硫化鎘膠體量子點(diǎn)的帶內(nèi)轉(zhuǎn)換。此種核/殼結(jié)構(gòu)改善了硫化汞核的熱穩(wěn)定性，對(duì)硫化汞膠體量子點(diǎn)材料的研究拓展了硫汞族材料在帶內(nèi)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用。

圖5 代表性團(tuán)隊(duì)在硫汞族膠體量子點(diǎn)帶內(nèi)躍遷紅外探測(cè)器方面的研究

2016年，法國(guó)索邦大學(xué)團(tuán)隊(duì)探索了配體修飾對(duì)硒化汞膠體量子點(diǎn)性能的影響，實(shí)現(xiàn)了每量子點(diǎn)0.1到2個(gè)電子之間的精確摻雜調(diào)控（圖5b）。后來在2017年，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了不同配體交換的硒化汞膠體量子點(diǎn)的絕對(duì)能量水平（圖5c），并提出了一種將功能化的聚氧乙烯（POM）嫁接到硒化汞膠體量子點(diǎn)表面的方法，降低了暗電流同時(shí)增加器件激活能（圖5d-e）。2019年，該團(tuán)隊(duì)提出了碲化汞和硒化汞膠體量子點(diǎn)混合物，并將材料集成到光電二極管中（圖5f）。在80 K時(shí)，比探測(cè)率可以達(dá)到1.5 × 10? Jones，在相同溫度和波長(zhǎng)下，相比于單一硒化汞量子點(diǎn)探測(cè)器高兩倍。2022年，該團(tuán)隊(duì)通過使用中紅外瞬時(shí)反射率測(cè)量方法揭開了硒化汞和碲化汞材料之間的耦合關(guān)系（圖5g）。這種硒化汞和碲化汞耦合的疊層結(jié)構(gòu)保留了硒化汞的帶內(nèi)吸收，減少了暗電流，并縮短了響應(yīng)時(shí)間。這種疊層材料結(jié)構(gòu)被耦合到一個(gè)導(dǎo)引模式諧振腔上，使得來自帶內(nèi)躍遷的光電流信號(hào)增強(qiáng)了四倍。在80 K和5 μm時(shí)，比探測(cè)率達(dá)到10? Jones，響應(yīng)率達(dá)到3 mA W?1。

2020年，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種混合配體交換方法生產(chǎn)高遷移率的硒化汞膠體量子點(diǎn)薄膜，并與乙二硫醇的固態(tài)配體交換進(jìn)行了比較。在直徑為7.5納米的量子點(diǎn)中，其遷移率達(dá)到了1cm2/Vs，與硒化汞/乙二硫醇薄膜相比，遷移率增加了100倍（圖6a-c）。隨后，該團(tuán)隊(duì)研究了硒化汞膠體量子點(diǎn)的尺寸分布對(duì)遷移率、導(dǎo)電間隙和帶內(nèi)光傳導(dǎo)的影響。結(jié)果顯示，遷移率與尺寸分布呈指數(shù)關(guān)系，而帶內(nèi)光導(dǎo)特性可以通過改善尺寸分布而得到增強(qiáng)（圖6d-f）?；谖孔狱c(diǎn)探測(cè)器，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高性能的帶內(nèi)熱成像相機(jī)以及二氧化碳?xì)怏w傳感器（圖6g），其范圍從0.25到2000 ppm，靈敏度為0.25 ppm，響應(yīng)速度達(dá)到了幾個(gè)微秒，響應(yīng)度為77 mA W?1。與低遷移率硒化汞量子點(diǎn)探測(cè)器相比，響應(yīng)速度及響應(yīng)度提升1000倍及55倍。

在80 K時(shí)，比探測(cè)率達(dá)到了1.7×10? Jones，與低遷移率器件相比，性能高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。圖6h顯示了基于硒化汞膠體量子點(diǎn)帶內(nèi)躍遷探測(cè)器的熱成像。為了進(jìn)一步提高基于硒化汞膠體量子點(diǎn)的帶內(nèi)躍遷探測(cè)器的性能，除能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，香港城市大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于硒化汞膠體量子點(diǎn)薄膜的金納米盤陣列，并通過等離子體共振增強(qiáng)了光響應(yīng)（圖6i）。四個(gè)波段（4.2 μm、6.4 μm、7.2 μm和9.0 μm）的探測(cè)器被集成到等離子體納米盤陣列。如圖6j所示，響應(yīng)速度分別達(dá)到145 mA W?1、92.3 mA W?1、88.6 mA W?1和86 mA W?1。

圖6 北京理工大學(xué)在硫汞族膠體量子點(diǎn)帶內(nèi)躍遷紅外探測(cè)器方面的研究

硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外上轉(zhuǎn)換器件

紅外-可見光上轉(zhuǎn)換器件通過集成探測(cè)紅外光子的紅外探測(cè)器和激發(fā)可見光子的發(fā)光二極管，利用器件內(nèi)部光-電-光的線性轉(zhuǎn)換過程，避免了讀出電路和復(fù)雜的電信號(hào)處理過程，能夠直接可視化紅外圖像（圖7a）。其具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）無需通過繁瑣的讀出電路傳輸電信號(hào)，利用肉眼或可見光相機(jī)直接觀察紅外圖像，突破了傳統(tǒng)紅外成像解析度的限制，顯著提升了紅外成像的分辨率；（2）無需復(fù)雜的信號(hào)采集、放大及處理過程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)紅外上轉(zhuǎn)換成像，顯著提高了紅外成像的幀頻和靈敏度；（3）無需通過復(fù)雜的倒裝鍵合工藝互連銦柱并對(duì)準(zhǔn)每個(gè)像素，極大簡(jiǎn)化了工藝過程，顯著降低了成像成本。盡管紅外-可見光上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，針對(duì)低成本、寬光譜、高分辨率、高靈敏度紅外上轉(zhuǎn)換成像的研究，目前仍存在以下諸多難點(diǎn)。首先，現(xiàn)有上轉(zhuǎn)換器件受限于材料體系能帶帶隙限制，紅外探測(cè)波段范圍主要局限于近紅外波段，很難拓展至短波、中波、甚至長(zhǎng)波等重要的紅外波段，極大限制了紅外上轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用范圍。并且，目前上轉(zhuǎn)換器件紅外探測(cè)單元和可見光發(fā)光單元只是簡(jiǎn)單堆疊，使得上轉(zhuǎn)換器件靈敏度較差，只能探測(cè)激光強(qiáng)度的紅外光，無法探測(cè)到自然界中微弱的紅外，致使應(yīng)用范圍嚴(yán)重受限。

基于以上挑戰(zhàn)，2022年北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于膠體量子點(diǎn)的紅外-可見光上轉(zhuǎn)換器件，該器件使用碲化汞膠體量子點(diǎn)作為紅外光敏層，硒化鎘/硫化鋅膠體量子點(diǎn)作為可見光發(fā)光層（圖7b），首次拓寬了紅外上轉(zhuǎn)換器件的探測(cè)波段范圍到2.5 μm短波紅外，實(shí)現(xiàn)了短波紅外到可見綠光的上轉(zhuǎn)換（圖7c）。研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)光單元亮度靈敏度在特定偏壓范圍內(nèi)達(dá)到最大，傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換器件只是探測(cè)單元和發(fā)光單元的簡(jiǎn)單堆疊，使得發(fā)光單元工作電壓區(qū)間無法處于最優(yōu)范圍，致使上轉(zhuǎn)換器件靈敏度較差（圖7d）?；诖?，研究人員建立了紅外上轉(zhuǎn)換理論模型，通過模型結(jié)果確定與發(fā)光單元最優(yōu)匹配的紅外探測(cè)單元電阻特性，并設(shè)計(jì)優(yōu)化紅外探測(cè)單元結(jié)構(gòu)，使得集成后的上轉(zhuǎn)換器件的發(fā)光單元處于最優(yōu)工作偏壓區(qū)間，從而使上轉(zhuǎn)換器件的靈敏度和上轉(zhuǎn)換效率最大化（圖7d）。最優(yōu)匹配紅外探測(cè)單元和發(fā)光單元集成的上轉(zhuǎn)換器件具有超高的靈敏度，能夠探測(cè)紅外功率低至20 μW cm?2，如圖7e所示。并且，此上轉(zhuǎn)換器件具有接近30%超高的上轉(zhuǎn)換效率，如圖7f所示，此上轉(zhuǎn)換器件的性能達(dá)到目前領(lǐng)先水平。該研究表明取代傳統(tǒng)有機(jī)/無機(jī)材料的膠體量子點(diǎn)材料以及紅外探測(cè)單元和發(fā)光二極單元的優(yōu)化匹配方式為上轉(zhuǎn)換技術(shù)中長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)提供了潛在的解決方案。

圖7 北京理工大學(xué)在碲化汞膠體量子點(diǎn)紅外-可見光上轉(zhuǎn)換器件方面的研究

硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外焦平面陣列

膠體量子點(diǎn)相比傳統(tǒng)紅外塊體半導(dǎo)體在加工工藝方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以通過滴涂或旋涂方式在硅基讀出電路上制備紅外探測(cè)器，不需要晶格匹配的分子束外延過程及復(fù)雜的倒裝鍵合工藝，大大降低了紅外焦平面陣列探測(cè)器的制備成本。2016年，美國(guó)芝加哥大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了第一個(gè)膠體量子點(diǎn)焦平面陣列紅外探測(cè)器，通過將碲化汞膠體量子點(diǎn)與硅基電路耦合，在低溫下實(shí)現(xiàn)了中波紅外成像，如圖8a-c所示。在95 K時(shí)，量子效率、比探測(cè)率和噪聲等效溫差（NETD）分別為0.30%、1.46 × 109 Jones 和2.319 K。在5 μm處其噪聲等效差為1.02 K，幀頻達(dá)到了每秒鐘120幀。膠體量子點(diǎn)薄膜中的缺陷會(huì)大大降低探測(cè)器的性能。因此，優(yōu)化膠體量子點(diǎn)制膜工藝是提高探測(cè)器性能的關(guān)鍵技術(shù)。2022年法國(guó)索邦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過旋涂技術(shù)路線制備了光導(dǎo)型碲化汞膠體量子點(diǎn)焦平面陣列，陣列規(guī)模640×512，像元尺寸15 μm（圖8d）。碲化汞膠體量子點(diǎn)焦平面外量子效率（EQE）為4%~5%，使用帕爾蒂爾冷卻，其截止波長(zhǎng)為1.8 μm。在圖8e-f中，一個(gè)ITO覆蓋的玻璃和一個(gè)硅片被放置在不同的試劑瓶前面。在可見光及短波紅外波段，由于ITO玻璃、化學(xué)試劑以及硅片截止波長(zhǎng)的不同，拍攝圖片呈現(xiàn)出截然不同的狀態(tài)。

圖8 硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外焦平面陣列研究

2022年，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種與硅基讀出電路完全兼容的捕獲型光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)。量子點(diǎn)與讀出電路的耦合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，大大降低了讀出電路成像器件的制造復(fù)雜性（圖9a-b）。為了獲得最佳探測(cè)性能，采用了具有阻抗匹配的定制讀出電路，在8英寸晶圓上進(jìn)行晶圓級(jí)探測(cè)器制備（圖9c）。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，典型光伏碲化汞量子點(diǎn)成像器件受到摻雜劑不可控?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。無需高強(qiáng)度激光激發(fā)，使用黑體輻射源即可獲得較高響應(yīng)。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2×1011 Jones，并完成了中波紅外成像（圖9d）。

圖9 硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外焦平面陣列研究

在單波段量子點(diǎn)焦平面陣列基礎(chǔ)之上，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)有硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）傳感器探測(cè)光譜范圍僅限于可見光（0.4 nm ~ 0.7 μm）和近紅外（0.8 nm ~ 1.1 μm）的問題，通過對(duì)修飾在讀出電路上的膠體量子點(diǎn)材料使用直接光刻工藝構(gòu)建寬光譜CMOS兼容的跨波段紫外-紅外量子點(diǎn)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了從紫外到短波紅外（300 nm ~ 2500 nm）的探測(cè)（圖10a）。通過此項(xiàng)研究能夠使用單片成像芯片實(shí)現(xiàn)單色或多光譜合并的高分辨率圖像獲取。圖10b-d為使用多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器對(duì)包含580℃的電烙鐵、硅片和紫外燈的場(chǎng)景進(jìn)行成像，可以看到使用一個(gè)多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器模組便能夠獲取該場(chǎng)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、紫外發(fā)光二極管釋放的紫外光信息、線材和紫外發(fā)光二極管模組的可見光信息），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(chǎng)景細(xì)節(jié)信息。

圖10 硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外焦平面陣列研究

如表1所示，本文總結(jié)了代表性硫汞族膠體量子點(diǎn)單點(diǎn)探測(cè)器、焦平面陣列及紅外-可見光上轉(zhuǎn)換器件在探測(cè)波長(zhǎng)、陣列規(guī)模、比探測(cè)率等核心參數(shù)指標(biāo)性能對(duì)比。

表1 不同類型量子點(diǎn)探測(cè)器的性能對(duì)比。“F”和“S”分別代表焦平面陣列和單點(diǎn)探測(cè)器

總結(jié)與展望

本文對(duì)硫汞族膠體量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，綜述了硫汞族膠體量子點(diǎn)探測(cè)器和硫汞族膠體量子點(diǎn)焦平面陣列的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用方向。在過去的十年間，硫汞族膠體量子點(diǎn)從單點(diǎn)探測(cè)器到焦平面陣列都有著巨大的突破。但是，硫汞族膠體量子點(diǎn)體系還面臨著很多挑戰(zhàn)，還有諸多亟待解決的問題以及值得探索的方向。在單點(diǎn)紅外探測(cè)器方面，需要進(jìn)一步優(yōu)化材料的物性（例如提升載流子遷移率、優(yōu)化表面缺陷等），提升探測(cè)器的光電響應(yīng)性能，研究長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，以及優(yōu)化探測(cè)器結(jié)構(gòu)等。對(duì)于上轉(zhuǎn)換器件，需要進(jìn)一步拓寬紅外探測(cè)波段范圍，提升紅外光子-可見光子上轉(zhuǎn)換效率，最終實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的紅外上轉(zhuǎn)換成像。對(duì)于焦平面陣列，目前的研究主要集中在開發(fā)具有高分辨率和低噪聲的大陣列紅外探測(cè)器，在航天、軍工、工業(yè)檢測(cè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。寬光譜紅外成像儀被用于半導(dǎo)體檢測(cè)、醫(yī)療藥物篩選和農(nóng)產(chǎn)品觀察。硫汞族膠體量子點(diǎn)作為一種液態(tài)半導(dǎo)體材料，無需倒裝鍵合及像素對(duì)準(zhǔn)，可與焦平面陣列讀出電路表面像素電極實(shí)現(xiàn)直接電學(xué)耦合。與塊狀材料相比，硫汞族膠體量子點(diǎn)可以降低制造成本，擴(kuò)大探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域。總之，膠體量子點(diǎn)技術(shù)是低成本、高性能紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)之一，相關(guān)研究成果將推動(dòng)紅外探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展，在應(yīng)用方面不斷激發(fā)新的可能。

審核編輯：劉清