百万像素胶体量子点中波红外焦平面阵列成像技术研究

据麦姆斯咨询报道，2024年年初，北京理工大学红外胶体量子点团队在《激光与光电子学进展》期刊发表了题为“百万像素胶体量子点中波红外焦平面阵列成像技术”的特邀研究论文。该论文第一作者为谭伊玫，通讯作者为唐鑫教授。

该论文报道了首个百万像素碲化汞（HgTe）量子点中波红外焦平面探测器，阵列规模为1280 × 1024、像元间距为15 μm、探测器黑体比探测率及峰值比探测率约为4 × 10¹⁰ Jones及2 × 10¹¹ Jones@4.6µm、噪声等效温差为30 mK（F数=2）、有效像元率分别为达到99.96%（如图1）。

图1 百万像素HgTe量子点中波红外焦平面探测器

该探测器在中波红外成像领域表现出优异的性能，能够实现晶圆级集成，有望解决红外焦平面阵列规模提升瓶颈，在热成像和探测领域展现了良好的应用前景（如图2）。

图2 百万像素胶体量子点（CQD）中波红外成像芯片技术

中波红外（3-5 µm）成像可昼夜工作，其被动成像的特性具有隐蔽性高等优点，广泛用于夜视等场景。除此之外，中波红外波段覆盖了甲烷等易燃易爆气体的吸收特征峰，在危化品监测方面发挥了重要作用。胶体量子点是一种具有“量子限域效应”的纳米半导体晶体，可突破传统块体半导体倒装键合工艺中复杂的对准及加压绑定等流程，所制备焦平面阵列规模及像元尺寸仅取决于读出电路微纳加工精度，进而实现低成本、大面阵、高均一性成像。

在众多量子点体系中，HgTe量子点在中波红外探测及成像方面展现了优异性能，先后实现了单点型中波红外（背景限红外探测性能）、室温工作延展波长短波及短波-中波红外双色/三色等探测器的设计及制备。HgTe量子点成像焦平面阵列也获得了较快发展。

2022年，北京理工大学报道了8英寸晶圆级量子点红外成像芯片制备方法，在室温下探测波长达到2.5 μm。同年，该团队将直接光刻微纳加工技术引入器件制备过程，实现了阵列规模为320 × 256、像元间距为30 μm的紫外-短波红外双波段焦平面探测器。2023年，北京理工大学报道了首个HgTe量子点中波红外焦平面探测器，采用阵列规模为640×512读出电路，其探测波长达到4.6 μm，突破了倒装键合体制，验证了量子点红外成像芯片片上直接集成工艺方法及技术可行性。经过进一步工艺攻关及能力提升，目前HgTe中波红外量子点已经达到1280 × 1024阵列规模百万像素分辨率，为红外侦察、夜视观瞄、自动驾驶、气体探测等应用提供了有力技术支撑。

论文链接：DOI: 10.3788/LOP232494

审核编辑：刘清