近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心、光學與電子信息學院唐江教授團隊與海思光電子有限公司合作，製備出一種適配矽基讀出電路（ROIC）的頂入射結構的光電二極體，實現了30萬像素、性能可媲美商用銦鎵砷（InGaAs）的短波紅外晶片，為國內首款硫化鉛膠體量子點（PbS CQD）紅外成像晶片。
相關成果以「A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry」為題發表於最新一期Nature Electronics期刊。論文第一完成單位為華中科技大學。
紅外成像晶片是光傳感技術的基礎之一，被廣泛應用於機器視覺、物質鑑別、生物成像等新興領域。受到加工溫度和單晶基板的限制，現有的紅外成像晶片主要採用異質集成的方式實現紅外光電二極體與矽基ROIC互聯，面臨工藝複雜、解析度受限、大規模生產難、成本高等問題。
紅外光電二極體與矽基 ROIC 的單片集成工藝簡單、成本可控，且有望極大地提升紅外成像晶片解析度。不同於高溫外延生長的紅外材料，PbS CQD採用低溫溶液法加工，襯底兼容性好，可與矽基 ROIC 單片集成。但現有PbS CQD器件結構不適配矽基ROIC，其耗盡區遠離入射光，導致器件外量子效率低。
圖1 PbS CQD成像晶片。a) 成像晶片整體示意圖；b) 成像晶片橫截面示意圖；c) 成像晶片的橫截面掃描電鏡圖像；d) 成像晶片的俯視示意圖；e) 單個像素的電路圖；f) 電路的讀出時序。
唐江教授團隊根據 PbS CQD 的特性，設計出了適配矽基 ROIC 的頂入射結構光電二極體，通過模擬分析和實驗優化器件結構，使耗盡區靠近入射光，實現光生載流子的有效分離與收集，從而提高器件外量子效率。針對磁控濺射中高能粒子對 PbS CQD 界面的損傷，通過引入 C60界面鈍化層降低界面缺陷，通過驅動級電容和電容-電壓測量分析證明了探測器缺陷濃度降低至2.3×1016cm−3，接近廣泛研究的 PbS CQD 光電二極體的最佳值。文中報導的頂入射 PbS CQD 光電二極體的外量子效率達63%，探測率達2.1×1012Jones，−3dB帶寬為140 kHz，線性動態範圍超過100 dB。
圖2 PbS CQD成像晶片的應用。a) 智慧型手機（矽基成像晶片）和d) PbS CQD成像晶片在自然光照射下拍攝的蘋果和水圖片；b) PbS CQD成像晶片和e) InGaAs成像晶片在940 nm光照下拍攝的手掌血管的照片；c) 圖b中的紅色虛線（線1和線2）的灰度變化；f) 圖e中的紅色虛線（線1和線2）的灰度變化；g) PbS CQD成像晶片和InGaAs成像晶片在940 nm光照下拍攝的水和乙醇照片（S1和S3為水溶液，S2和S4為乙醇溶液）；h) 溶液S1-S4 的歸一化灰度直方圖；i) 不同濃度（25%、50%、75% 和100%）的酒精的歸一化灰度直方圖。
基於最優的 PbS CQD 光電二極體，團隊進一步實現了國內首款 PbS CQD 成像晶片的製備，其解析度為640×512，空間解析度為40 lp/mm（MTF50），具有可與商用 InGaAs 成像晶片媲美的成像效果。此外，文中展示了 PbS CQD 紅外成像晶片在水果檢測、溶劑識別、靜脈成像等方面的應用，證明了其廣泛的應用潛力。
唐江，華中科技大學武漢光電國家研究中心教授，博士生導師，光學與電子信息學院院長。從事新型光電轉換材料與器件研究，主要研究方向是量子點紅外探測晶片、鹵素鈣鈦礦X射線探測器、鹵素鈣鈦礦發光材料與器件、硒化銻薄膜太陽能電池。曾以第一或者通訊作者身份在Nature、Nature Photonics、Nature Materials 等期刊發表多篇論文。
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