量子點紅外成像技術概念

量子點（Quantum dots，QDs）是具有尺寸可調特征的1-20nm的半導體納米晶體，在可見光和紅外波長范圍內具有較強的光吸收和明亮的窄帶發(fā)射。

膠體量子點（Colloidal quantum dot，CQDs），量子限域效應明顯，液相加工工藝使得其可以與硅基讀出電路進行直接片上耦合，紅外成像器件通過集成探測紅外光子的紅外探測器和激發(fā)可見光子的發(fā)光二極管，利用器件內光-電-光的線性轉換過程，避免了讀出電路和復雜的電信號處理過程，能夠直接可視化紅外圖像。

量子點的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進行調整。量子點材料包括：Cd（鎘）基、In（銦）基、PbS（硫化鉛）、Perovskite（鈣鈦礦），以及新興的CuInS2（硫銦銅）、InAs（砷化銦）、ZnTeSe（硒鎘汞）。它們具有不同的帶隙，因此具有不同的吸收和發(fā)射光譜的能力。

在性能與InGaAs芯片相當?shù)那疤嵯?，基于量子點的成像芯片的成本不到其1%，有望實現(xiàn)短波紅外成像在消費級領域的應用。

量子點紅外成像技術發(fā)展歷史

?光電導效應發(fā)現(xiàn)于1873年的海底電纜絕緣層實驗。1917年，第一個紅外光電導探測器被研制出來。

?1981年和1983年，前蘇聯(lián)科學家Alexei Ekimov和美國科學家Louis Brus分別獨立發(fā)現(xiàn)了半導體納米顆粒的量子尺寸效應。

?量子點在光電探測中的首次嘗試是在 1992 年，當時膠體量子點被視為絕緣膠體，作為一種感光劑應用于電子照相技術中。

?1993年，美國麻省理工學院Moungi G. Bawendi教授帶領的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點的大規(guī)模應用開發(fā)打開了大門。

?1998 年，量子點紅外探測器（QDIPs）首次被論證。

?2003年，“固態(tài)配體交換”的方法被提出，為膠體量子點在光電探測領域的應用提供了可能。

?2005年，多倫多大學Edward H. Sargent教授發(fā)表了第一篇短波紅外膠體量子點混合光探測器。2009年，西門子和奧地利林茨大學合作研發(fā)出PbS膠體量子點探測器。至此開始 PbS CQD 探測器的研究在近十年的時間內成為該研究領域的新寵。

?2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens課題組通過使用石墨烯及PbS量子點晶體管結構，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規(guī)模388×288，像元間距35μm。

?2022年，華中科技大學報道了一種基于PbS量子點的近紅外焦平面陣列，并展示了940nm光照下的成像效果。

?近年來具有優(yōu)異光電性能的量子點材料在硅基探測器的集成中已經(jīng)有了一定的成果，為硅基探測器性能的提升提供了新的思路。雖然量子點增強硅基探測器已經(jīng)收獲較好的效果，但仍存在一些機遇與挑戰(zhàn)。例如專用材料缺乏，存在集成工藝問題以及需要開發(fā)與之匹配的先進的成像算法等。

量子點紅外技術發(fā)展現(xiàn)狀

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中美是量子點紅外成像領域的主要目標市場國

紅外成像技術應用非常廣泛，而量子點紅外成像將極大地擴展其應用可能，近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。

根據(jù)相關專利數(shù)據(jù)（申請年2005以后），將量子點應用于紅外探測的技術從2005開始興起，最早開始布局且為該領域TOP1的申請人InVisage公司，隨后呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長趨勢；2011年左右數(shù)量激增，在2019-2020年左右，部分歐美相關技術企業(yè)已經(jīng)完成專利布局，專利申請數(shù)量略有下降。

隨著中國加入該項技術的投入和研究中，該領域的中國申請人近幾年的相關專利布局量整體呈現(xiàn)較為明顯的增長，說明該領域的主要申請人仍十分注重該領域相關技術的研發(fā)和專利布局。

圖1：申請人排名分析

該領域中，國外申請人擁有較多早期專利申請，相對國內具備一定的領先能力。

該領域TOP10申請人中，國外申請人占據(jù)8席，其相關專利布局時間較早且近幾年呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的一定專利申請量；國內主要申請人在該領域的布局整體較晚，且主要在2022年左右開始激增，說明國內主要申請人近年來對該領域的重視程度的提高以及相關研發(fā)產(chǎn)出的增加。

圖2：該領域專利申請與授權趨勢

早期美國市場的相關專利布局量具有絕對優(yōu)勢，2011-2012年左右，其相關科研專利數(shù)量較多，2017年左右開始更多商業(yè)化布局，2018-2019年左右，歐洲進入相關技術專利的申請高峰，而在2022-2023年左右，中國市場的相關專利布局量實現(xiàn)反超，不過目前中國相關的專利也主要由高?；蚩蒲袡C構申請，企業(yè)申請較少，尚未形成產(chǎn)業(yè)化。

圖3：主要國家/地域專利年度申請趨勢

中美是量子點紅外成像技術的主要市場國家/地域，其次是歐洲。

針對相關專利數(shù)據(jù)（公開年2005以后）擴展同族后，進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，美國、中國的相關專利布局量分居前兩位，明顯多于其他國家/地域的布局量，是該領域的主要目標市場。其次是歐洲的國家/地域。

一方面是因為上述國家/地域是紅外成像領域較大的目標市場，另一方面上述國家的知識產(chǎn)權保護力度較大，為了限制競爭對手的發(fā)展，同時為了保護其自身相關技術不被競爭對手仿制，相關申請人重點在上述國家/地域進行相關專利申請的布局。

另外，WO、EP的專利數(shù)量排名第三、第四，說明量子點紅外成像技術主要以專利合作條約的國際申請、歐洲專利申請形式進入多國/地域布局。

圖4：目標市場國/地區(qū)排名

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數(shù)據(jù)處理、圖像處理分類集中度高

量子點紅外探測成像本質上基于半導體領域，故大部分專利主要在H01L、H04N、G01J、B82Y等分類下。

H01L （半導體器件）分類下相關專利量近年來增長明顯，包括對紅外輻射進行電能控制的半導體器件（H01L31）、由在一個共用襯底或其上形成的多個半導體器件（H01L27）、使用有機材料作有源部分的固態(tài)器件（H01L51）等。

國內外IPC分布情況基本相同。只是國外還有部分專利分入了電視零部件（H04N）中。

量子點紅外技術地位情況

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美歐相關技術地位相對領先

量子點紅外成像領域中，美歐中是主要的技術輸出國。根據(jù)全球量子點紅外成像領域相關專利申請（公開年2005以后）的同族的優(yōu)先權的統(tǒng)計分析結果，美歐中是該領域的主要原創(chuàng)技術輸出國。其中，美國相關技術的出現(xiàn)明顯早于歐洲和中國，歐洲略早于中國。

圖5：計算機視覺領域技術來源國分布情況

量子點紅外成像領域的專利價值高于相關行業(yè)的平均專利水平。從行業(yè)基準來評估量子點紅外成像領域的相對創(chuàng)新能力，該領域的專利（已經(jīng)過同族去重）明顯高于行業(yè)基準的平均水平2-6倍（C09K11發(fā)光材料除外）。

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中國產(chǎn)業(yè)推動政策密集發(fā)布

2015年以來，中國密集發(fā)布一系列產(chǎn)業(yè)推動政策。（通過網(wǎng)絡公開數(shù)據(jù)整理）

量子點紅外技術產(chǎn)業(yè)化情況

計算機視覺產(chǎn)業(yè)鏈上游壟斷現(xiàn)象明顯，中下游是多數(shù)企業(yè)布局和發(fā)展的重點。

量子點紅外成像技術中大部分企業(yè)集中在中游（紅外探測器/紅外成像儀等），目前，上游基礎層主要由國外巨頭把控，主要涉及：

①晶圓及輔料（臺積電、中芯國際、華虹半導體等）；

②量子點材料（Nanosys Inc.，NN-Labs LLC，Ocean NanoTech，Quantum Materials Corporation等）；

中游技術層，部分國內技術能力不斷凸顯，傳統(tǒng)紅外成像的代表行公司有美國的Raytheon、FLIR，法國的Sofradir、以色列的SCD等。國內參與者主要包括高德紅外、大立科技、睿創(chuàng)微納、?？低?/u>。隨著國內廠商技術突破，近年來市場份額有所提升。