中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心、光學(xué)與電子信息學(xué)院唐江教授團隊與海思光電子有限公司合作，制備出一種適配硅基讀出電路（ROIC）的頂入射結構的光電二極管，實(shí)現了30萬(wàn)像素、性能可媲美商用銦鎵砷（InGaAs）的短波紅外芯片，為國內首款硫化鉛膠體量子點(diǎn)（PbS CQD）紅外成像芯片。6月16日，相關(guān)成果以“A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry”為題發(fā)表于最新一期Nature Electronics期刊。
紅外成像芯片是光傳感技術(shù)的基礎之一，被廣泛應用于機器視覺(jué)、物質(zhì)鑒別、生物成像等新興領(lǐng)域。受到加工溫度和單晶基板的限制，現有的紅外成像芯片主要采用異質(zhì)集成的方式實(shí)現紅外光電二極管與硅基ROIC互聯(lián)，面臨工藝復雜、分辨率受限、大規模生產(chǎn)困難、成本高等問(wèn)題。
紅外光電二極管與硅基ROIC的單片集成工藝簡(jiǎn)單、成本可控，且有望極大地提升紅外成像芯片分辨率。不同于高溫外延生長(cháng)的紅外材料，PbS CQD采用低溫溶液法加工，襯底兼容性好，可與硅基ROIC單片集成。但現有PbS CQD器件結構不適配硅基ROIC，其耗盡區遠離入射光，導致器件外量子效率低。
唐江教授團隊根據PbS CQD的特性，設計出了適配硅基ROIC的頂入射結構光電二極管，通過(guò)模擬分析和實(shí)驗優(yōu)化器件結構，使耗盡區靠近入射光，實(shí)現光生載流子的有效分離與收集，從而提高器件外量子效率。針對磁控濺射中高能粒子對PbS CQD界面的損傷，通過(guò)引入C60界面鈍化層降低界面缺陷，通過(guò)驅動(dòng)級電容和電容-電壓測量分析證明了探測器缺陷濃度降低至2.3×1016 cm?3，接近廣泛研究的PbS CQD光電二極管的最佳值。論文中報道的頂入射PbS CQD光電二極管的外量子效率達63%，探測率達2.1×1012 Jones，?3dB帶寬為140 kHz，線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)100 dB。
基于最優(yōu)的PbS CQD光電二極管，團隊進(jìn)一步實(shí)現了國內首款PbS CQD成像芯片的制備，其分辨率為640×512，空間分辨率為40 lp/mm（MTF50），具有可與商用InGaAs成像芯片媲美的成像效果。此外，論文中展示了PbS CQD紅外成像芯片在水果檢測、溶劑識別、靜脈成像等方面的應用，證明了其在廣泛的應用潛力。
論文第一作者為武漢光電國家研究中心博士生劉婧，通訊作者為高亮副教授和唐江教授。論文第一單位為華中科技大學(xué)。該研究工作得到了海思光電子有限公司在讀出電路方面的大力支持，以及華中科技大學(xué)分析測試中心和武漢光電國家研究中心納米級表征和器件中心的設施支持。該工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖北光谷實(shí)驗室和武漢光電國家研究中心創(chuàng )新基金的資助。同時(shí)感謝劉冬生教授和李豪博士在電路方面的討論與支持。
