会议观点 | 北京理工大学唐鑫教授：胶体量子点红外焦平面技术研究进展及展望

创业 2024-11-15 18:04 广东

9月11-13日，第25届中国国际光电博览会在深圳举行，在同期举办的“先进红外材料与器件论坛”上，北京理工大学教授唐鑫围绕着胶体量子点红外焦平面技术的研究进展及展望等话题展开讨论。

唐鑫

- 北京理工大学教授 -

任中国光学学会光电技术专业委员会常务委员、中国光学工程学会红外技术及应用专业委员会委员等。先后入选海外高层次人才引进计划青年项目、中国科协青年人才托举工程、中关村U30等人才计划。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划专项、北京市科技计划项目、某科技委重点基金、国防预研项目等。研究方向围绕胶体量子点红外成像焦平面阵列技术，突破硫汞族量子点红外探测器能带调控、芯片架构设计及液相集成工艺等关键技术，先后完成640×512、1280×1024阵列规模短波红外、中波红外、紫外-红外双色及宽光谱系列化焦平面探测器研发工作，并用于工业分选、半导体检测、光电吊舱等场景。以第一或通讯作者发表Nature Photonics、Science advances等论文80余篇，其中3篇论文入选ESI高被引，6篇被选为期刊封面论文，出版英文专著一本《Application of Advanced Quantum Dots Films in Optoelectronics》。先后获中国光学工程学会“金燧奖”、全国颠覆性技术创新大赛优胜奖、仪器仪表学会金国藩青年学子奖学金等。2021年创办“中芯热成科技（北京）有限责任公司”，现为国家级高新技术企业、中关村高新技术企业、创新型及科技型中小企业，并获得中关村国际前沿技术创新大赛领域赛冠军等20余项创新创业奖项，累计融资9000余万。

本次会议唐教授发表《胶体量子点红外焦平面技术研究进展及展望》专题演讲。主要通过红外成像芯片技术的理论突破、机理及工艺创新、机制创新、成果转化等内容进行阐述。

从红外场景来看，我国的红外器件技术发展迅速，从制冷型到非制冷型器件均较为成熟及完备。从技术指标上来看，我国总体已比肩国际水平，甚至在很多细分领域上，已经做到国际领先水平。

唐教授表示，近几年量子点材料迅速发展成为新兴红外材料，并受到广泛关注。目前，我们致力研究新兴材料及新兴技术，主要为解决红外产业中的部分难题，即“成本”及应用门槛问题。量子点可通过液相化学合成，具有显著的成本优势，可以通过晶圆级加工方式单次制备几十至上百个器件，大幅提升器件制备效率。在性能方面，量子点红外探测器与现有块体半导体器件相比，并不存在理论上的性能差异。近年来，量子点红外探测器各项性能指标均在逐步提升，探测阵列规模达到百万像素以上、比探测率10¹¹Jones以上，通过材料合成优化及器件结构创新，有望使其辐射复合比达到跟块体半导体相当的性能。

关于胶体量子点是否能够支持室温或者高温工作？唐教授解释道：量子点具备室温运行及高温工作（HOT）的理论优势。首先，量子点的能级是离散的，相比于块体半导体具有更小的态密度。其次，碲化汞量子点材料吸收界面和MCT相似，所以其光吸收能力相当。更重要的是，在加工工艺方面，量子点红外焦平面阵列无需像素化及刻蚀过程，因此避免了表面漏电流等缺陷。以上优势使得它具备高温工作、甚至长波高温工作的理论基础。在实际制备过程中，核心难题在于载流子寿命提升。这点要如何实现呢？一是要通过表面缺陷态钝化。碲化汞量子点是在85-95度之间用低温合成的，表面缺陷态较多。目前，碲化汞红外量子点的钝化机制研究较少。第二，要做界面阻挡型异质结能带设计，大幅降低暗电流。通过以上方法，中波红外量子点背景限红外探测温度（BLIP）可以达到150-200K之间，性能相比传统同质结量子点方式已大幅提高。

除此之外，唐教授还分享了目前团队的阶段性工作。第一个突破性工作是通过液相阳离子交换处理，使得碲化银纳米颗粒通过阳离子交换方式附着于碲化汞量子点表面，形成稳定空穴掺杂，进而首次实现了中波红外量子点背景限探测性能。随后基于相同方法，将银离子掺杂方法引入短波红外，实现了高性能室温延伸段短波红外探测。再往后团队顺利将短波和中波红外量子点叠到一起，实现了偏压调控的双波段探测。沿着这个思路，继续深入研究，把量子点和硅基集成，实现了可见光和短波的双波段探测。在2023年，进一步实现了三波段红外探测。从单波段到双波段到三波段，通过稳定掺杂方式构筑复杂的能级结构，实现了偏压调控的多波段探测。

第二个阶段的工作是将单点器件推向面阵型器件。量子点作为一种液态材料，可以与硅基集成电路直接耦合，通过简单的旋涂、提拉法等，蒸发溶剂形成固态量子点薄膜器件。在集成工艺基础之上，我们又进一步优化了基于硅基电路的探测器的结构，在平面光导型基础的结构之上，在垂直方向引入N型掺杂层。垂直方向内建电场的引入将光生载流子拉开，大幅提升了器件响应率，突破了原有常规垂直光伏型及平面光导型限制。(Science Advances 9, no. 28 (2023): eadg7827.)

近期，我们在研究工作中取得了一系列新的进展,成功地在实现了从单波段焦平面阵列到双波段焦平面阵列的跨越，所涉及的波段涵盖紫外波段、可见光波段以及短波红外波段。通过分步直接光刻技术，将这些不同波段的探测功能集成于同一集成电路之上，且处于同一平面内。这一创新成果类似于可见光的RGB三通道模式，使得我们的量子点相机芯片能够一次性获取三个不同波段的光学信息。如此一来，便无需在后期进行图像校准与匹配操作，即可直接完成多波段的特征提取，能够一次性获取从紫外到延展短波的宽波段信息。(ACS nano 16, no. 11 (2022): 18822-18829.)

在此基础之上，团队进一步深入拓展研究方向。在已有单波段以及平面耦合双波段成果的前提下，我们开始探索宽波段领域的工作。借助简单的旋涂工艺，把可见光的硫化铅、短波红外碲化汞以及中波红外碲化汞进行垂直耦合。由于这三种材料具有不同的带隙，并且顶层与底层的掺杂情况相反，从而形成了带隙与掺杂的双梯度结构。这种结构使得不同波段的载流子能够在各自对应的波段进行吸收，吸收后的载流子又可实现水平分离，实现可见光至中波红外的超宽光谱探测及成像。(Nature Photonics (2024): 1-8.)

通过这一技术创新能够达成显著的效果。从响应波长的角度来看，原有的中波探测器得以拓展为短波、中波的宽光谱系列，再通过与硫化铅可见光的耦合，进一步拓展至可见光波段，使器件的响应波长范围覆盖0.4-5微米。利用这种技术手段，我们既能获取彩色的可见光图像，又能够得到短波及中波红外图像。例如在同一场景中，存在一杯热水和一杯冷水，其呈现出的热量信息属于典型的中波信息。而当开启外界光源，为其提供可见光与短波光后，该器件能够自动切换并获取环境光中最大分量的谱段信息，从而全面获取场景中的温度信息、材质信息以及颜色细节信息，同时有效解决了在体积、重量、硬度等方面可能存在的问题。

在会议尾声，唐教授进行总结发言：近十年，我们持续深入开展量子点器件的研究工作，并积极推进相关成果的转化应用。对于量子点器件未来的发展趋势，我们满怀期待且持有乐观态度，诚挚欢迎行业内的同仁与我们展开交流合作，携手共同推动红外产业迈向深入发展的新征程。

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CIOE中国光博会

中国国际光电博览会是全球极具规模及影响力的光电产业综合性展会，将于2025年9月10-12日在深圳国际会展中心（宝安新馆）盛大开幕。

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