可見(jiàn)-短波紅外成像芯片技術(shù)研究

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院唐鑫教授等在寬光譜膠體量子點(diǎn)焦平面成像探測(cè)器領(lǐng)域取得新進(jìn)展，針對(duì)硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）傳感器探測(cè)光譜范圍僅限于可見(jiàn)光（0.4~0.7 μm）和近紅外（0.8~1.1 μm）的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)修飾在讀出電路上的膠體量子點(diǎn)材料（CQDs）使用直接光刻工藝構(gòu)建多譜段寬光譜CMOS兼容探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)從紫外到短波紅外（300-2500nm）的探測(cè)。通過(guò)此項(xiàng)研究能夠使用單片成像芯片實(shí)現(xiàn)單色或多光譜合并的高分辨率圖像獲取。

該研究以“Direct Optical Lithography Enabled Multispectral Colloidal Quantum-Dot Imagers from Ultraviolet to Short-Wave Infrared”為題發(fā)表于ACS Nano期刊。該論文的第一作者及共同一作為北京理工大學(xué)博士生張碩計(jì)和北京理工大學(xué)博士生畢成，通訊作者為陳夢(mèng)璐教授、郝群教授及唐鑫教授。論文的第一單位為北京理工大學(xué)。

光電成像芯片作為人類認(rèn)識(shí)世界的有力工具，幫助人類從分子尺度到行星天體去探索世界，拓寬人類知識(shí)的邊界。紅外（Infrared）和紫外（Ultraviolet）這類無(wú)法被人眼所感知的光譜自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人類便開(kāi)始癡迷于對(duì)這類可見(jiàn)光譜段外的世界進(jìn)行探索。不論是能夠穿云透霧的短波紅外（1~2.5 μm）還是能夠激發(fā)熒光的紫外（<0.4 μm），人們總是期待能夠通過(guò)一款性能優(yōu)異的光電探測(cè)器，使用自己的雙眼去見(jiàn)證這具有神奇特性的光譜譜段下的世界。

氮化鎵（GaN）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）和二類超晶格等塊體半導(dǎo)體材料雖然能夠拓寬CMOS探測(cè)器的光譜探測(cè)范圍，但是這類塊體半導(dǎo)體材料并不兼容硅基CMOS探測(cè)器，在加工過(guò)程中需要使用倒裝鍵合等復(fù)雜工藝，導(dǎo)致探測(cè)器生產(chǎn)工藝的高成本和低合格率。同時(shí)紫外及紅外光子能量差別很大，跨波段、跨帶隙耦合極其困難。膠體量子點(diǎn)材料所具有的溶液特性，能夠在量子點(diǎn)紅外材料耦合CMOS讀出電路后，允許使用直接光刻工藝對(duì)量子點(diǎn)薄膜進(jìn)行圖案化，通過(guò)平面耦合方式實(shí)現(xiàn)從紫外到紅外的多波段寬光譜探測(cè)器制作。華中科技大學(xué)唐江教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用硫化鉛（PbS）量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了近紅外量子點(diǎn)芯片制備，并在970nm紅外照射下展現(xiàn)了良好的成像性能。

為突破波段瓶頸限制，北京理工大學(xué)唐鑫教授等提出利用碲化汞（HgTe）及鈣鈦礦膠體量子點(diǎn)材料拓寬CMOS的探測(cè)范圍，提升探測(cè)器制造規(guī)模，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)加工，極大地降低探測(cè)器的生產(chǎn)成本，提升工藝合格率。由于體材料帶隙為零，碲化汞（HgTe）膠體量子點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)短波紅外、中波紅外及長(zhǎng)波紅外探測(cè)器制備。

圖1 a. 多波段寬光譜探測(cè)器布局；b. 配體交換過(guò)程和紫外像素、紅外像素結(jié)構(gòu)示意圖。

多波段寬光譜探測(cè)器使用的硅基讀出電路經(jīng)過(guò)特殊定制并進(jìn)行布局設(shè)計(jì)（圖1.a）。其中一路通道為修飾有透明頂電極的像素，作為鈣鈦礦量子點(diǎn)的修飾區(qū)域，對(duì)紫外波段信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)實(shí)現(xiàn)下轉(zhuǎn)換過(guò)程。該像素通道能夠在實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的捕捉外，還能應(yīng)用于紫外場(chǎng)景中指紋識(shí)別等特殊信息采集；另一路通道是采用直接注入型電路作為采集放大電路的像素，在此區(qū)域內(nèi)修飾碲化汞膠體量子點(diǎn)紅外材料，能夠?qū)?~2.5 μm的短波紅外信號(hào)進(jìn)行捕捉，獲得物體的紅外特性以識(shí)別物質(zhì)成分（圖1.b）。

圖2 量子點(diǎn)探測(cè)器在單色模式下的圖像。a. 環(huán)境光和紫外光照射下的探測(cè)器照片；b. 讀出電路和鈣鈦礦量子點(diǎn)修飾后的探測(cè)器響應(yīng)分布圖；c. 紫外光照射下的防曬霜照片；d. 可見(jiàn)光圖像和紫外圖像：（i）紫外LED照片，（ii）紫外探測(cè)器照片，（iii）修飾鈣鈦礦量子點(diǎn)的探測(cè)器探測(cè)照片，（iv）讀出電路探測(cè)照片；e. 修飾有HgTe量子點(diǎn)的探測(cè)器拍攝的可見(jiàn)光照片和短波紅外照片。

圖2展示了使用該研究方法制作的多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器在單色模式下的探測(cè)效果圖。在圖2.c中可以看到，在紫外燈照射下，防曬霜呈現(xiàn)出黑色，說(shuō)明紫外光被防曬霜所吸收，因此在涂抹防曬霜的區(qū)域紫外信號(hào)衰減嚴(yán)重顯示黑色，也證明該探測(cè)器在此模式下的探測(cè)范圍為紫外波段。圖2.e則展示了四個(gè)短波成像中的經(jīng)典場(chǎng)景，（i）（ii）（iii）展示短波紅外能夠穿透硅片，這是因?yàn)楣杵奈詹ㄩL(zhǎng)截至到1.1 μm，而量子點(diǎn)探測(cè)器使用的HgTe量子點(diǎn)探測(cè)范圍為1~2.5 μm，因此硅片在此探測(cè)波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)透明狀態(tài)。在（ii）中還展示了一個(gè)經(jīng)典的短波紅外應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)化學(xué)藥品的成分進(jìn)行分辨。在短波紅外探測(cè)模式下，透明的化學(xué)物質(zhì)（從左到右：氯苯、乙醇、氯仿、水、乙酸丁酯）由于其內(nèi)含化學(xué)鍵的不同對(duì)短波的吸收強(qiáng)度也不同，因而在圖片中呈現(xiàn)出不同的灰度。（iv）則是展示了短波波段特有的穿云透霧成像能力。

圖3 多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器及其探測(cè)圖像。a. 多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器模組；b. 成像場(chǎng)景（包含電烙鐵、硅片和紫外燈）；c. 采集的紫外圖像、可見(jiàn)光圖像和紅外圖像；d. 采集信息融合圖像（紅色通道為短波紅外信息，藍(lán)色通道為紫外信息，灰度通道為可見(jiàn)光信息）。

圖3為使用多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器對(duì)包含580℃的電烙鐵、硅片和紫外燈的場(chǎng)景進(jìn)行成像，可以看到使用一個(gè)多譜段寬光譜量子點(diǎn)探測(cè)器模組便能夠獲取該場(chǎng)景下紫外、可見(jiàn)光、短波紅外信息特征（電烙鐵釋放的能夠穿透硅片的短波紅外信息、紫外LED釋放的紫外光信息、線材和紫外LED模組的可見(jiàn)光信息），通過(guò)圖像的融合可以展現(xiàn)出從紫外到短波紅外的光譜信息照片，提供更多的場(chǎng)景細(xì)節(jié)信息。

該項(xiàng)研究的突破能夠極大地簡(jiǎn)化多波段相機(jī)的光學(xué)硬件和軟件復(fù)雜性，降低相機(jī)體積和重量，助力實(shí)現(xiàn)多譜段相機(jī)的微小型平臺(tái)化設(shè)計(jì)。該團(tuán)隊(duì)使用直接光刻工藝實(shí)現(xiàn)膠體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙色或多色焦平面陣列的思路，突破傳統(tǒng)塊體半導(dǎo)體材料倒裝鍵合工藝完成探測(cè)器的多色探測(cè)耦合，在一個(gè)探測(cè)器中實(shí)現(xiàn)多波段探測(cè)和多色成像能力，極大降低多色探測(cè)器制作成本并提升制作工藝規(guī)模和產(chǎn)品合格率。同時(shí)該工作得到了中芯熱成科技（北京）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“中芯熱成”）在焦平面探測(cè)器制備和焦平面成像系統(tǒng)測(cè)試方面的大力支持。中芯熱成是國(guó)內(nèi)首家專注于紅外量子材料成像芯片領(lǐng)域的高科技企業(yè)，專注于新型紅外量子材料器件制備及封裝技術(shù)，圍繞低維量子材料推出下一代低成本、高分辨率短波及中波紅外成像芯片解決方案，突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體倒裝鍵合工藝，開(kāi)展低成本硅基讀出電路片上集成式紅外芯片的封裝與測(cè)試業(yè)務(wù)。目前已成功研制完成320×256、640×512、1280×1024陣列規(guī)模短波紅外、中波紅外等焦平面陣列研發(fā)工作，并具備批量產(chǎn)線設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。

編輯：黃飛