短波红外便携式成像系统

湖北光谷实验室近日宣布，其科研团队研发的胶体量子点成像芯片已实现短波红外成像，面阵规模 30 万、盲元率低于 6‰、波长范围 0.4-1.7 微米、暗电流密度小于 50nA / cm2、外量子效率高于 60%，号称“性能优越”。相关负责人介绍，这一技术的核心优势有：图像分辨率高，理论上像素尺寸仅受限于艾利斑直径；溶液法低温加工，与任何形貌的基底均兼容；探测波段高度可定制化，探测波段不受衬底吸收影响；可大面积加工，兼容 12 寸 CMOS 晶圆制备工艺，“同时成本极低，有望颠覆市场”。光谷实验室表示，在食品检测、半导体检测等工业应用中，基于短波红外成像的机器视觉如同机器的“眼睛”，具有重要意义。成像芯片作为成像系统最核心部件，对成像质量以及相机成本均起着决定性作用。传统铟镓砷短波红外芯片造价极其昂贵，使得短波红外相机均价高达 25 万元，严重制约着市场增长。光谷实验室团队通过 4 年时间，全力攻关量子点技术，通过低温的溶液法制备工艺，实现可与硅基芯片一体化集成的量子点短波红外成像芯片，其探测波段范围远超传统铟镓砷芯片，同时制造成本仅不到百分之一。▲ 产品部分应用领域目前，光谷实验室团队面向手机模组、车载相机等消费级应用场景，已申请十五项发明专利，已获授权七项。产品已应用在车载应用、水果分拣、物质检测、半导体检测、安防监控等领域。IT之家查询获悉，湖北光谷实验室成立于 2017 年，致力于解决制约我国科技发展的关键问题，研究方向涵盖光电子技术、高端装备制造、人工智能等领域，以提升光电领域原始创新能力、突破光电产业发展关键技术瓶颈为使命，以基础研究、应用基础研究和应用研究为任务，打造战略性、前瞻性、基础性科技创新的综合性光电科研平台。

省第十二次党代会强调，“坚持创新驱动发展，加快建设现代产业体系”“打造全国科技创新高地”。明确提出，加强战略科技力量培育，争创国家实验室或在鄂基地，推进全国重点实验室优化重组，高水平建设汉江实验室、光谷实验室和东湖实验室等湖北实验室，建设重大科技基础设施集群。去年2月至今，我省已有10家湖北实验室陆续正式运行，它们“组团”发力，为推进全省科技创新体系整体效能加装“发动机”，增强新动能。一年多来，湖北实验室科研取得了哪些进展？建设者们有哪些新探索？8月底开始，湖北日报全媒记者先后走进部分湖北实验室，感受这里科研一线创新攻关的风采。 “我们一直在做相关实验，不断提高它的稳定性，争取早日产业化。”8月25日，湖北光谷实验室8楼，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授高亮向湖北日报全媒记者介绍，他所在的唐江教授团队目前研制的量子点短波红外成像芯片进展顺利。 每天“泡”在实验室，不停地实验、检测 红外成像芯片是光传感技术的基础之一，被广泛应用于机器视觉、物质鉴别、生物成像等新兴领域。然而，受加工温度和单晶基板的限制，现有的红外成像芯片主要采用异质集成的方式实现红外光电二极管与硅基互联，面临工艺复杂、分辨率受限、大规模生产困难、成本高等问题。 “电子产品使用的硅基芯片主要工作于可见光波段，成像距离受环境限制，弱光下成像效果差，难以分辨同色的不同物体。可见光与短波红外融合，就能够有更好的成像体验，如图像细节完整，夜晚成像清晰，而且短波红外穿透雨雪雾霾的能力极强，在恶劣天气中还能进行障碍预警。”高亮介绍，基于此，量子点红外探测器经过十几年的发展，其性能（探测波段、响应度、比探测率）已经接近传统材料器件的性能，拥有巨大的成本优势。他们团队正在做的，就是研发量子点短波红外成像芯片量产化技术，为光谷实验室技术孵化落地做出贡献。 研二学生张琳祥两年前加入这个团队，从此每天都“泡”在实验室。“我们要不间断地进行芯片工艺调试，探索适于自动化制备的最佳工艺窗口。”记者看到，在不同的实验室，团队成员分别进行量子点合成、液相配体交换、浆料配制等流程，然后通过喷墨旋涂，制备量子点薄膜。“薄膜是关键，再通过全低温一体化集成，制作成红外探测芯片。”张琳祥介绍，他的工作就是通过不断测试芯片，找到一个更稳定、更合适的器件结构，即便在复杂的环境下，也能够保持器件性能。 团队有二十多人，结束暑期生活返校后，他们已经在实验室工作快一个星期了。“实验中我们碰到的失败数也数不清，就是在失败的基础上一点点摸索，一点点前进。”他们克服材料、结构、集成工艺等重重难题，从970纳米到1.3微米、1.55微米，再到目前的1.9微米，探测范围越来越广。 看着这些可喜的数据，张琳祥和同伴们很开心。“老师教导我们，研发过程中要沉下心，要有定力，把该做的工作做好。” 国内首款！硫化铅胶体量子点红外成像芯片研发成功 今年上半年，唐江教授团队与海思光电子有限公司合作，制备出一种适配硅基读出电路的顶入射结构的光电二极管，实现了30万像素、性能可媲美商用铟镓砷的短波红外芯片。这是国内首款硫化铅胶体量子点红外成像芯片，相关成果已发表在6月份的Nature Electronics期刊。 PbS CQD成像芯片。a) 成像芯片整体示意图；b) 成像芯片横截面示意图；c) 成像芯片的横截面扫描电镜图像；d) 成像芯片的俯视示意图；e) 单个像素的电路图；f) 电路的读出时序 据介绍，红外光电二极管与硅基读出电路单片集成工艺简单、成本可控，且有望极大提升红外成像芯片分辨率。不同于高温外延生长的红外材料，硫化铅胶体量子点采用低温溶液法加工，衬底兼容性好，可与硅基集成电路单片集成。但现有相关器件结构存在不适配难题，其耗尽区远离入射光，导致器件外量子效率低。 唐江教授团队根据硫化铅胶体量子点的特性，设计出了适配硅基读出电路的顶入射结构光电二极管，通过模拟分析和实验优化器件结构，使耗尽区靠近入射光，实现光生载流子的有效分离与收集，从而提高器件外量子效率。 国内首款硫化铅胶体量子点红外成像芯片，具有可与商用铟镓砷芯片媲美的成像效果。同时，在水果检测、溶剂识别、静脉成像等方面，也具有广泛的应用潜力。 高亮说，“目前，高端短波红外成像芯片国外禁运，铟镓砷芯片正处于卡脖子现状。我们想早日做好中国人自己的量子点短波红外成像芯片，助力科技强国建设。” 记者了解到，光谷实验室运行一年多来，聚焦光电子技术与装备，争创国家实验室，瞄准未来智能时代的高端芯片、光电融合、异质异构集成、“感—存—算—通—动—能”一体化复杂巨系统等前沿科学与技术问题，开展长期稳定的基础与应用研究，围绕通信、传感、物联网、高端制造等重点行业发展的卡脖子难点问题，力争实现率先突破和国际引领，助推“武汉中国光谷”走向“世界光谷”，成为国家在光电子领域的战略科技力量。

2023年8月14日在比利时鲁汶，imec作为纳米电子学和数字技术领域的全球研发和创新中心宣布成功集成了固定光电二极管结构到薄膜图像传感器中。通过添加固定光电栅和传输栅,薄膜成像器超过一微米波长的吸收质量终于可以被利用,以一种成本效益的方式解锁感知可见光之外光线的潜力。检测可见光范围之外的波长,例如红外光,具有明显的优势。应用包括自动驾驶汽车上的摄像头,以“看穿"烟雾或雾霭,以及用于通过面部识别解锁智能手机的摄像头。虽然可见光可以通过基于硅的成像器检测,但需要其他半导体材料来检测更长的波长,比如短波红外线(SWIR)。使用III-V材料可以克服这一检测局限。然而,制造这些吸收体的成本非常高,限制了它们的使用。相比之下,使用薄膜吸收体(如量子点)的传感器最近出现为一个有前景的替代方案。它们具有良好的吸收特性和与传统CMOS读出电路集成的潜力。尽管如此,这种红外线传感器的噪声性能较差,导致图像质量较差。早在20世纪80年代,固定光电二极管(PPD)结构就在硅CMOS图像传感器中引入。该结构引入了一个额外的晶体管栅极和一个特殊的光检测器结构,通过该结构, charges可以在积分开始前全部排空(允许在没有kTC噪声或前一帧影响的情况下复位)。因此,由于噪声更小、功耗性能更好,PPD主导了基于硅的图像传感器的消费者市场。 在硅成像之外,至今还不可能集成此结构,因为难以混合两种不同的半导体系统。现在,imec在薄膜图像传感器的读出电路中成功集成了PPD结构。 一种SWIR量子点光电检波器与一种氧化铟镓锌(IGZO)薄膜晶体管单片集成成PPD像素。 随后,该阵列被进一步处理在CMOS读出电路上以形成一个完整的薄膜SWIR图像传感器。 imec的“薄膜固定光电二极管"项目负责人Nikolas Papadopoulos 表示:“配备4T像素的原型传感器表现出显着低的读出噪声6.1e-,相比之下,传统的3T传感器超过100e-,证明了其良好的噪声性能。" 因此,红外图像的拍摄噪声、失真或干扰更小,准确性和细节更高。imec像素创新项目经理Pawel Malinowski补充说:“在imec,我们正在红外线和成像器的交汇处处于地位,这要归功于我们在薄膜光电二极管、IGZO、图像传感器和薄膜晶体管方面的综合专业知识。通过实现这一里程碑,我们克服了当前像素架构的局限性,并展示了一种将性能最佳的量子点SWIR像素与经济实用的制造方法相结合的方法。下一步包括优化这项技术在各种类型的薄膜光电二极管中的应用,以及扩大其在硅成像之外的传感器中的应用。我们期待通过与行业伙伴的合作进一步推进这些创新。“研究结果发表在2023年8月《自然电子学》杂志"具有固定光电二极管结构的薄膜图像传感器"。初步结果在2023年国际图像传感器研讨会上呈现。原文: J. Lee et al. Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure, Nature Electronics 2023.摘要使用硅互补金属氧化物半导体技术制造的图像传感器广泛应用于各种电子设备,通常依赖固定光电二极管结构。 基于薄膜的光电二极管可以具有比硅器件更高的吸收系数和更宽的波长范围。 但是,它们在图像传感器中的使用受到高kTC噪声、暗电流和图像滞后等因素的限制。 在这里,我们展示了具有固定光电二极管结构的基于薄膜的图像传感器可以具有与硅固定光电二极管像素相当的噪声性能。 我们将一种可见近红外有机光电二极管或短波红外量子点光电二极管与薄膜晶体管和硅读出电路集成在一起。 薄膜固定光电二极管结构表现出低kTC噪声、抑制暗电流、高满量容和高电子电压转换增益,并保留了薄膜材料的优点。 基于有机吸收体的图像传感器在940 nm处的量子效率为54%,读出噪声为6.1e–。