中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中波紅外成像在軍事偵察、遙感測繪、航天航空等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。膠體量子點(diǎn)作為一種新興液態(tài)半導體材料，具有光譜調控范圍“寬”、合成規?！按蟆?、制備成本“低”、以及加工工藝“易”等優(yōu)勢，為新型紅外焦平面陣列研發(fā)提供了全新的思路。本文提出一種捕獲型碲化汞膠體量子點(diǎn)中波焦平面陣列結構設計及制備方法。碲化汞量子點(diǎn)采用“熱注法”合成，并通過(guò)旋涂方法實(shí)現與硅基讀出電路的直接電學(xué)耦合，陣列規模及像元間距為640×512及15μm。在80K工作溫度下對焦平面陣列進(jìn)行了性能測試，碲化汞焦平面陣列響應截止波長(cháng)達到4.6μm、比探測率為2×1010 Jones、噪聲等效溫差51.26mK（F#=2）、響應非均勻性3.42%且有效像元率高達99.99%，展現了較好的成像性能，為非倒裝鍵合體制中波紅外成像焦平面的制備提供了新的方案（圖1）。
研究背景
早期膠體量子點(diǎn)研究主要集中于硫化鉛（PbS）、碲化鎘（CdTe）、硒化鎘（CdSe）等材料，其探測波長(cháng)局限于可見(jiàn)光及近紅外波段，主要用于太陽(yáng)能電池、顯示等應用場(chǎng)景。2009年，西門(mén)子公司與University of Linz合作，報道了基于硅薄膜晶體管的硫化鉛量子點(diǎn)256×256像素陣列焦平面陣列，并實(shí)現了近紅外成像。2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens課題組通過(guò)使用石墨烯及PbS量子點(diǎn)晶體管結構，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規模388×288，像元間距35μm。2022年，華中科技大學(xué)報道了一種基于PbS量子點(diǎn)的近紅外焦平面陣列，并展示了940nm光照下的成像效果。
中波紅外膠體量子點(diǎn)的研究起源于2011年，芝加哥大學(xué)Philippe Guyot-Sionnest教授課題組采用油胺作為溶劑，首次合成了吸收波段達到5μm的碲化汞（HgTe）量子點(diǎn)，并在2014年及2023年采用帶間躍遷及帶內躍遷方式完成了長(cháng)波紅外碲化汞量子點(diǎn)合成及探測器制備工作，探測波長(cháng)達到12μm。與PbS量子點(diǎn)相比，HgTe量子點(diǎn)在探測波長(cháng)方面展現了明顯優(yōu)勢。2016年，受美國國防高級計劃研究局（DARPA）資助，Sivananthan Laboratories, Inc與芝加哥大學(xué)Guyot-Sionnest課題組合作，實(shí)現了320×256陣列規模膠體量子點(diǎn)中波紅外（截止波長(cháng)5μm）焦平面陣列，并獲得了人體熱成像圖像，噪聲等效溫差(NETD)為102mK。
2022年，北京理工大學(xué)光電學(xué)院報道了8英寸晶圓級HgTe量子點(diǎn)制備方法，陣列規模320×256、像元間距30μm，室溫下實(shí)現截止波長(cháng)2.5μm短波紅外成像。同年北京理工大學(xué)團隊報道了基于直接量子點(diǎn)光刻方法的紫外-短波紅外雙波段焦平面陣列，陣列規模320×256、像元間距30μm。2023年，北京理工大學(xué)團隊報道了基于HgTe量子點(diǎn)、截止波長(cháng)達到2.5μm的1280×1024陣列規模百萬(wàn)像素短波紅外焦平面陣列。相關(guān)研究探明了膠體量子點(diǎn)非倒裝鍵合硅基直接集成工藝方法及技術(shù)可行性。
主要內容
本文報道了首個(gè)640×512規模HgTe量子點(diǎn)中波紅外焦平面陣列。HgTe量子點(diǎn)可與讀出電路直接耦合，可實(shí)現晶圓級探測器制備。研究團隊對紅外焦平面探測器的性能進(jìn)行定量分析，測試參數包括響應非均勻性、噪聲電壓、比探測率、有效像元率等。
相關(guān)測試使用校準后的黑體作為光源。黑體的發(fā)射腔直徑約為4cm，量子點(diǎn)焦平面陣列與發(fā)射腔之間的距離約為25cm。實(shí)驗結果表明量子點(diǎn)焦平面陣列器件的響應非均勻性低至3.42%。在積分時(shí)間2ms，器件偏壓2.3V時(shí)，平均噪聲電壓低至0.66mV。探測器平均峰值比探測率約為2×1010 Jones。相關(guān)測試結果如圖2所示。
通過(guò)增加積分時(shí)間，探測器信噪比可獲得提升，進(jìn)而減少器件噪聲等效溫差。當積分時(shí)間增加至8ms時(shí)，噪聲等效溫差為51.26mK。量子點(diǎn)中波紅外探測器可進(jìn)行熱成像，如圖3所示。
結論
本文報道了硅基讀出電路兼容的捕獲型HgTe量子點(diǎn)中波紅外熱成像焦平面，并且展示了量子點(diǎn)紅外熱成像能力。在80K工作溫度下，噪聲等效溫差為51.26mK（F#=2）、響應非均勻性低至3.42%，有效像元率高達99.99%，響應截止波長(cháng)為4.6μm，峰值比探測率可達2×1010 Jones。通過(guò)晶圓級集成，基于HgTe量子點(diǎn)中紅外熱成像探測器有望解決焦平面制備成本高、工藝復雜及陣列規模小等瓶頸問(wèn)題，為低成本、大陣列焦平面的研發(fā)提供工藝基礎。未來(lái)，HgTe量子點(diǎn)還將與3D納米結構壓印等加工技術(shù)相結合，開(kāi)發(fā)多功能、多模態(tài)的紅外探測器。
作者簡(jiǎn)介
唐鑫，北京理工大學(xué)光電學(xué)院，教授/博士生導師，入選海外高層次人才引進(jìn)計劃青年項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程等。主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“大面陣焦平面多色成像技術(shù)”、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專(zhuān)項“碳基-量子點(diǎn)復合材料片上集成式紅外芯片技術(shù)”等項目。長(cháng)期從事新型量子點(diǎn)紅外探測及成像技術(shù)研究工作，為低成本高性能多色紅外焦平面陣列的研發(fā)提供了技術(shù)及理論基礎，先后實(shí)現了背景限探測中波紅外探測器、短波/中波紅外雙色探測器、百萬(wàn)像素短波紅外焦平面陣列、紫外-紅外雙色焦平面陣列等研究工作。第一作者或通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，包括Nature Photonics、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano、Laser&Photonics Reviews、ACS Photonics等。
