百萬像素膠體量子點中波紅外焦平面陣列成像技術(shù)研究

據(jù)麥姆斯咨詢報道，2024年年初，北京理工大學(xué)紅外膠體量子點團(tuán)隊在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊發(fā)表了題為“百萬像素膠體量子點中波紅外焦平面陣列成像技術(shù)”的特邀研究論文。該論文第一作者為譚伊玫，通訊作者為唐鑫教授。

該論文報道了首個百萬像素碲化汞（HgTe）量子點中波紅外焦平面探測器，陣列規(guī)模為1280 × 1024、像元間距為15 μm、探測器黑體比探測率及峰值比探測率約為4 × 101? Jones及2 × 1011 Jones@4.6μm、噪聲等效溫差為30 mK（F數(shù)=2）、有效像元率分別為達(dá)到99.96%（如圖1）。

圖1 百萬像素HgTe量子點中波紅外焦平面探測器

該探測器在中波紅外成像領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)晶圓級集成，有望解決紅外焦平面陣列規(guī)模提升瓶頸，在熱成像和探測領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景（如圖2）。

圖2 百萬像素膠體量子點（CQD）中波紅外成像芯片技術(shù)

中波紅外（3-5 μm）成像可晝夜工作，其被動成像的特性具有隱蔽性高等優(yōu)點，廣泛用于夜視等場景。除此之外，中波紅外波段覆蓋了甲烷等易燃易爆氣體的吸收特征峰，在?；繁O(jiān)測方面發(fā)揮了重要作用。膠體量子點是一種具有“量子限域效應(yīng)”的納米半導(dǎo)體晶體，可突破傳統(tǒng)塊體半導(dǎo)體倒裝鍵合工藝中復(fù)雜的對準(zhǔn)及加壓綁定等流程，所制備焦平面陣列規(guī)模及像元尺寸僅取決于讀出電路微納加工精度，進(jìn)而實現(xiàn)低成本、大面陣、高均一性成像。

在眾多量子點體系中，HgTe量子點在中波紅外探測及成像方面展現(xiàn)了優(yōu)異性能，先后實現(xiàn)了單點型中波紅外（背景限紅外探測性能）、室溫工作延展波長短波及短波-中波紅外雙色/三色等探測器的設(shè)計及制備。HgTe量子點成像焦平面陣列也獲得了較快發(fā)展。

2022年，北京理工大學(xué)報道了8英寸晶圓級量子點紅外成像芯片制備方法，在室溫下探測波長達(dá)到2.5 μm。同年，該團(tuán)隊將直接光刻微納加工技術(shù)引入器件制備過程，實現(xiàn)了陣列規(guī)模為320 × 256、像元間距為30 μm的紫外-短波紅外雙波段焦平面探測器。2023年，北京理工大學(xué)報道了首個HgTe量子點中波紅外焦平面探測器，采用陣列規(guī)模為640×512讀出電路，其探測波長達(dá)到4.6 μm，突破了倒裝鍵合體制，驗證了量子點紅外成像芯片片上直接集成工藝方法及技術(shù)可行性。經(jīng)過進(jìn)一步工藝攻關(guān)及能力提升，目前HgTe中波紅外量子點已經(jīng)達(dá)到1280 × 1024陣列規(guī)模百萬像素分辨率，為紅外偵察、夜視觀瞄、自動駕駛、氣體探測等應(yīng)用提供了有力技術(shù)支撐。

論文鏈接：DOI: 10.3788/LOP232494

審核編輯：劉清