面向百万像素胶体量子点焦平面的片上谐振腔增强技术

与现有分子束外延材料不同，胶体量子点可与互补金属-氧化物-半导体（CMOS）读出电路实现直接片上电学互联，并可利用CMOS读出电路表面的钝化层与金属层形成谐振腔，提升量子点薄膜的光学吸收。该研究以“Megapixel large-format Colloidal Quantum-dot Infrared Imagers with Resonant-cavity enhanced Photoresponse”为题发表于APL. Photonics期刊。该论文的第一作者及共同一作为北京理工大学硕士生罗宇宁和北京理工大学硕士生谭伊玫，通讯作者为中芯热成科技（北京）有限责任公司（以下简称“中芯热成”）刘雁飞及北京理工大学唐鑫教授。量子点焦平面阵列包含1280 × 1024约133万个像素，并可实现室温运行、截止波长2.5 μm、高分辨率、高灵敏度的短波红外成像。

图1 a.谐振腔增强的碲化汞胶体量子点红外探测器结构及制备流程示意图；b.探测器界面示意图；c.谐振腔电场分布仿真结果；d.不同光学间隔厚度下量子点薄膜光学吸收仿真结果。

在自动驾驶、环境监测和工业检测等领域，红外探测及红外成像受到了越来越多的关注。胶体量子点由于具有液相加工、硅基兼容等优势，可以提供一条不同于传统外延材料的技术路线。通过旋涂等方式将量子点薄膜制备到读出电路表面，量子点薄膜即可与读出电路实现电学互联。据麦姆斯咨询报道，北京理工大学与中芯热成研发团队合作，提出通过将碲化汞（HgTe）与大阵列（1280 × 1024）CMOS读出电路耦合，实现高分辨率的红外探测器制备，提升探测器制造规模，实现晶圆级加工，极大地降低红外探测器的生产成本，提升红外探测器的有效像元率和产品合格率。更进一步，利用CMOS读出电路表面钝化层和金属金属层，形成法布里-珀罗谐振腔，增强量子点薄膜特定波段的光学吸收，提升探测器的性能。

通过将量子点溶液涂覆在读出电路表面并经过一配体交换溶液处理（图1.a），量子点可与读出电路形成电学互联。通过读出电路表面的钝化层（SiO2, Si3N4）和金属层构成谐振腔（图1.b），可以增强量子点薄膜的光学吸收（图1.c），通过调整钝化层的厚度，利用谐振腔干涉峰实现对不同红外波段的吸收增强（图1.d）。由于块体材料带隙为零，碲化汞（HgTe）胶体量子点可以实现宽光谱短波红外、中波红外及长波红外探测器制备。

图2 a.探测器成像示意图；b-d.短波红外外景成像；e. ISO-12233分辨率测试卡成像效果；f.盐（左）和糖（右）的短波红外图像和可见光图像；g.不同材质深色布料短波红外图像和可见光图像；h.有瘪痕的苹果短波红外图像和可见光图像。

图2展示了该探测器在室外和室内的良好成像能力。基于不同的红外透过率及反射率，建筑物、植物和云在红外图像中呈现出不同的灰度值，可清晰分辨（图2.b-d）。由于较高的大气透过率，短波红外展现出优于可见光的远距离成像能力且建筑物的细节也可以在红外图像中呈现出来（图2.d）。该探测器的水平分辨率和垂直分辨率为42 lp/mm（每毫米线对）和40 lp/mm （图2.e）。

基于化学键在短波红外波段吸收的差异，该探测器在食品安全、工业检测等领域有着广泛的应用前景。肉眼难以分辨的糖和盐，由于组成盐的离子键在红外呈现高透过率而组成糖的C-H共价键在红外吸收很强，因此在红外图像中盐呈现白色而糖呈现黑色，二者可以轻易区分（图2.f）。不同材质的布料在红外图像中也呈现出不同的灰度值（图2.g 布料材质从左到右、从上到下依次为：丝绸、棉纶、氨纶、羊毛、棉、涤纶）。由于水在短波红外吸收强，该探测器可用于果蔬质量的非破坏、非接触式检测（图2. h）。

该项研究的突破能够极大地简化红外探测器制备流程，实现低成本、高工艺合格率、可大规模生产的高性能红外探测器，为红外探测器制备提供了一个全新的技术路线。同时该工作得到了中芯热成在焦平面探测器制备和焦平面成像系统测试方面的大力支持。中芯热成是国内首家专注于红外量子材料成像芯片领域的高科技企业，专注于新型红外量子材料器件制备及封装技术，围绕低维量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波红外成像芯片解决方案，突破传统半导体倒装键合工艺，开展低成本硅基读出电路片上集成式红外芯片的封装与测试业务。目前已完成320 × 256、640 × 512、1280 × 1024阵列规模短波红外、中波红外等焦平面阵列研发工作，并具备批量生产能力。

审核编辑：刘清