华中科技大学武汉光电国家研究中心、光学与电子信息学院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（ROIC）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（InGaAs）的短波红外芯片，为国内首款硫化铅胶体量子点（PbS CQD）红外成像芯片。6月16日，相关成果以 A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry 为题发表于最新一期 Nature Electronics 期刊（https://doi.org/10.1038/s41928-022-00779-x）。
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。受到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ROIC互联，面临工艺复杂、分辨率受限、大规模生产难、成本高等问题。
红外光电二极管与硅基 ROIC 的单片集成工艺简单、成本可控，且有望极大地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，PbS CQD采用低温溶液法加工，衬底兼容性好，可与硅基 ROIC 单片集成。但现有PbS CQD器件结构不能充分适配硅基ROIC，其耗尽区远离入射光，导致器件外量子效率低。国外STmicroelectronics、IMEC等相继报道基于PbS CQD和硅基ROIC单片集成的红外成像芯片，其像素尺寸远小于InGaAs芯片，在分辨率、成像波段方面有着显著优势，但国内机构尚未有相关报道。
唐江教授团队根据 PbS CQD 的特性，设计出了适配硅基 ROIC 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。针对磁控溅射中高能粒子对 PbS CQD 界面的损伤，通过引入 C60 界面钝化层降低界面缺陷，通过驱动级电容和电容-电压测量分析证明了探测器缺陷浓度降低至2.3×1016 cm−3，接近广泛研究的 PbS CQD 光电二极管的最佳值。文中报道的顶入射 PbS CQD 光电二极管的外量子效率达63%，探测率达2.1×1012 Jones，−3dB带宽为140 kHz，线性动态范围超过100 dB。
基于最优的 PbS CQD 光电二极管，团队进一步实现了国内首款 PbS CQD 成像芯片的制备，其分辨率为640×512，空间分辨率为40 lp/mm（MTF50），具有可与商用 InGaAs 成像芯片媲美的成像效果，并且其外量子效率高于国外报道的PbS CQD成像芯片。此外，文中展示了 PbS CQD 红外成像芯片在水果检测、溶剂识别、静脉成像等方面的应用，证明了其在广泛的应用潜力。
图1 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。
图2 PbS CQD成像芯片的应用。a) 智能手机（硅基成像芯片）和d) PbS CQD成像芯片在自然光照射下拍摄的苹果和水图片；b) PbS CQD成像芯片和e) InGaAs成像芯片在940 nm光照下拍摄的手掌血管的照片；c) 图b中的红色虚线（线1和线2）的灰度变化；f) 图e中的红色虚线（线1和线2）的灰度变化；g) PbS CQD成像芯片和InGaAs成像芯片在940 nm光照下拍摄的水和乙醇照片（S1和S3为水溶液，S2和S4为乙醇溶液）；h) 溶液S1-S4 的归一化灰度直方图；i) 不同浓度（25%、50%、75% 和 100%）的酒精的归一化灰度直方图。
论文第一作者为武汉光电国家研究中心博士生刘婧，通讯作者为高亮副教授和唐江教授。论文第一单位为华中科技大学。该研究工作得到了海思光电子有限公司在读出电路方面的大力支持，以及华中科技大学分析测试中心和武汉光电国家研究中心纳米级表征和器件中心的设施支持。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北光谷实验室和武汉光电国家研究中心创新基金的资助。同时感谢刘冬生教授和李豪博士在电路方面的讨论与支持。
