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06-21
武汉光电国家研究中心近日，武汉光电国家研究中心唐江教授团队与学院合作中科光电与海思光电合作制备适用于硅基读出电路（ROIC）的顶入射光电二极管，实现30万像素、性能媲美商用砷化镓（InGaAs）的短波红外芯片，这在中国尚属首例。
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“具有单片集成读出电路的近红外胶体量子点成像仪”为题发表在最新一期《自然电子学》上。
红外光电二极管与硅基ROIC的单片集成工艺简单、成本可控，有望大幅提高红外成像芯片的分辨率。
与高温外延生长的红外材料不同，PbS CQD采用低温溶液法加工，具有良好的衬底兼容性，可以与硅基ROIC单片集成。
然而，现有的PbS CQD器件结构无法完全适应硅基ROIC，且其耗尽区远离入射光，导致器件的外量子效率较低。
国外ST微电子、IMEC等相继报道了基于PbS CQD和硅基ROIC单片集成的红外成像芯片。
像素尺寸比InGaAs芯片小得多，在分辨率和成像波段上具有显着优势。
但国内机构尚未报道相关报道。
唐江教授团队根据PbS CQD的特点，设计了一种适用于硅基ROIC的顶入射结构光电二极管。
通过仿真分析和实验，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。
和收集，从而提高器件的外量子效率。
针对磁控溅射中高能粒子对PbS CQD界面造成的损伤，通过引入C60界面钝化层来减少界面缺陷。
驱动级电容和电容电压测量分析证明探测器缺陷浓度降低至2.3×cm?3。
接近广泛研究的 PbS CQD 光电二极管的最佳值。
文章报道的顶入射PbS CQD光电二极管的外量子效率为63%，检测率为2.1×Jones，-3dB带宽为kHz，线性动态范围超过dB。
基于最优的PbS CQD光电二极管，团队进一步实现了国内首个PbS CQD成像芯片的制备，分辨率为×，空间分辨率为40 lp/mm（MTF50），与商用InGaAs成像芯片相当。
成像效果好，其外量子效率高于国外报道的PbS CQD成像芯片。
此外，文章还展示了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，证明了其广阔的应用潜力。
图 1 PbS CQD 成像芯片。
a) 成像芯片整体示意图； b) 成像芯片的截面示意图； c) 成像芯片的截面扫描电镜图像； d) 成像芯片俯视示意图； 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）拍摄的苹果和水的照片，d) 自然光下的 PbS CQD 成像芯片； b) PbS CQD成像芯片和e) InGaAs成像芯片在纳米光下拍摄的手掌血管照片；c) 图b中红色虚线（第1线和第2线）的灰度变化； f) 图e中红色虚线（第1行和第2行）的灰度变化； g) PbS CQD成像芯片和InGaAs成像芯片在nm光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) 解S1-S4的归一化灰度直方图； i) 不同浓度（25%、50%、75% 和 % 的酒精标准化灰度直方图）。
该论文第一作者为武汉光电国家研究中心博士生刘静，通讯作者为高亮副教授和唐江教授。
第一个完成论文的单位是华中科技大学。
该研究工作得到了海思光电股份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国家研究中心纳米表征与器件中心的设备支持用于光电。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、湖北光谷实验室、武汉光电国家研究中心创新基金的资助。
我们也感谢刘东升教授和李浩博士在电路方面的讨论和支持。
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