一种在近红外波长下工作的高效胶体量子点成像仪

机器人技术、自动驾驶和计算机视觉领域的进步增加了对能够在不同环境条件下可靠地收集数据的高性能传感器的需求。这包括可以在近红外波长(即0.7–1.4µm)下工作的成像仪，因此有可能在复杂或不利的大气条件下(例如有雨、雾和烟雾)收集高分辨率图像。

华中科技大学(HUST)、海思光电有限公司和光谷实验室的研究人员最近开发了一种近红外胶体量子点(CQD)成像仪。在NatureElectronics上发表的一篇论文中介绍了这种高效成像仪。

“我们小组于2012年在华中科技大学武汉光电子国家实验室成立，并与张建兵副教授持续开展CQD材料和器件的研究，”参与该研究的研究人员之一高亮告诉TechXplore。

唐高和同事最近的工作是他们与总部位于上海的知名半导体公司海思光电有限公司合作的产物，该公司于2018年启动。四年前他们获得公司的资金后，研究人员他们的大部分研究工作都集中在高性能CQD成像仪的开发上。

“我们长期以来一直在研究我们的CQD成像仪，”该研究的首席研究员江唐告诉TechXplore。“我毕业于多伦多大学，师从CQD红外光电探测器先驱、InVisage公司创始人EdwardSargent教授。我们HUST团队的主要任务是构建可靠且低成本的近短红外成像仪。”

传统的近红外成像器是通过异质集成外延生长的光电二极管阵列和硅基读出集成电路(ROIC)制造的。相比之下，Tang、Gao和他们的同事介绍的CQD成像器是通过CQD光电二极管阵列和硅基ROIC的单片集成创建的。

CQD是纳米尺寸的半导体晶体，含有表面配体，可以分散在溶剂中。这些晶体具有良好的光学、电子和物理特性，使其非常有希望用于开发多种技术，包括成像仪、发光二极管和气体传感器。

“CQD光电二极管阵列将入射光子转换为电子，而基于硅的ROIC操纵光生电子以输出图像信号，”高解释说。“与异构集成成像器相比，单片集成可能使CQD成像器的像素尺寸更小，分辨率更高。”

由于红外光电二极管和硅基电路之间集成的复杂性，过去推出的大多数近红外成像仪的生产成本都很高。另一方面，新成像仪独特的设计和制造工艺使其更容易实现，显着降低了生产成本。

“我们直接将传感层沉积在ROIC之上，”Tang解释说。“我们成像仪的独特优势是单片集成，可以实现12英寸晶圆集成并限制生产成本。我们从化学品一直到最终芯片，实现了一个好的成像仪。”

该研究人员团队是首批展示顶部照明CQD光电二极管阵列与硅基ROIC技术集成的研究人员之一。在最初的测试中，他们的光电二极管(即光电探测器)的光谱范围为400–1,300nm，室温探测率为2.1×1012 Jones，-3dB带宽为140kHz，线性动态范围超过100dB。

到目前为止，唐、高和他的同事已经使用他们新开发的光电二极管创建了一个大型成像器(640x512像素)。他们发现该成像仪具有显着的效率和空间分辨率。

“由于开发的器件结构，我们的CQD成像仪在已报道的CQD成像仪中显示出最高的63%的外部量子效率，”高说。“我们新的CQD成像仪的详细介绍可以为专门从事新兴单片集成成像仪领域的研究人员和技术人员提供参考。”

未来，这种新型CQD成像仪可用于收集静脉、生物系统和物质粒子的高分辨率图像。在接下来的研究中，研究人员计划开发波长更长、分辨率更高的CQD成像仪。此外，他们还想尝试使用他们的单片集成策略将其他功能传感器与基于硅的电路集成。

“在我们未来的工作中，我们将提高成像仪的分辨率(1Kx1K)、波长(1700nm及以上)和稳定性(维持120C甚至150C以满足严格的汽车应用要求)，同时努力创造更大的晶圆(从4英寸到12英寸)，”唐补充道。