在服務(wù)機(jī)器人、汽車和消費(fèi)電子等需要大批量機(jī)器視覺傳感的應(yīng)用中，人眼無法看見的短波紅外（SWIR）光可以實(shí)現(xiàn)前所未有的可靠性、功能和性能。短波紅外圖像傳感器可以在強(qiáng)光、霧、霾以及煙霧等惡劣條件下可靠地工作。此外，短波紅外波段不僅提供了符合人眼安全的光源，而且開辟了利用分子成像檢測(cè)材料特性的可能性。

基于膠體量子點(diǎn)（CQD）的光電探測(cè)技術(shù)為在短波紅外波段實(shí)現(xiàn)大批量兼容圖像傳感器提供了一個(gè)前途光明的技術(shù)平臺(tái)。膠體量子點(diǎn)是納米半導(dǎo)體晶體，也是一種溶液處理的材料平臺(tái)，可以與CMOS技術(shù)集成并實(shí)現(xiàn)短波紅外波段傳感與成像。然而，將短波紅外量子點(diǎn)應(yīng)用于大眾市場(chǎng)存在一個(gè)基本障礙，就是因?yàn)樗鼈兺ǔ：秀U或汞等重金屬。而這些重金屬材料受到歐盟強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《RoHS指令》的監(jiān)管，限制了其在商業(yè)消費(fèi)電子領(lǐng)域中的大量使用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，在西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所（ICFO）的Gerasimos Konstantatos教授的帶領(lǐng)下，由ICFO與西班牙Qurv Technologies公司組成的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Photonics期刊上發(fā)表了以“Silver telluride colloidal quantum dot infrared photodetectors and image sensors”為主題的論文。該論文報(bào)道了室溫工作的基于無毒膠體量子點(diǎn)的高性能紅外光電探測(cè)器和短波紅外圖像傳感器的開發(fā)。該研究描述了一種合成尺寸可調(diào)諧、無磷化氫的碲化銀（Ag?Te）量子點(diǎn)的新方法，這種方法保留了傳統(tǒng)含重金屬量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)特性，為在量產(chǎn)市場(chǎng)中引入短波紅外膠體量子點(diǎn)技術(shù)鋪平了道路。

在研究如何通過合成碲化銀鉍（AgBiTe?）納米晶體來擴(kuò)大AsBiS?的光譜覆蓋范圍，從而提高光伏器件性能時(shí)，研究人員獲得了副產(chǎn)物Ag?Te。這種材料表現(xiàn)出類似于量子點(diǎn)的強(qiáng)大且可調(diào)諧的量子限制吸收。研究人員意識(shí)到了Ag?Te在短波紅外光電探測(cè)器及圖像傳感器中的應(yīng)用潛力，并致力于實(shí)現(xiàn)和控制一種合成無磷化氫的Ag?Te量子點(diǎn)的新工藝，這是因?yàn)榱谆瘹鋵?duì)與光電探測(cè)相關(guān)的量子點(diǎn)特性有著不利影響。

圖1 尺寸可調(diào)諧的Ag?Te量子點(diǎn)

在這項(xiàng)研究的新合成方法中，研究人員使用了不同的無磷化氫配合物（如碲和銀前體），這使其獲得了良好控制的尺寸分布的量子點(diǎn)，并且在非常寬的光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生了激子峰。經(jīng)過制備和表征，新合成的量子點(diǎn)表現(xiàn)出了卓越的性能，在大于1500 nm時(shí)具有明顯的激子峰。與以往基于磷化氫的量子點(diǎn)制備技術(shù)相比，該方法合成的量子點(diǎn)達(dá)到了前所未有的成就。

隨后，研究人員將所獲得的無磷化氫量子點(diǎn)用于在通用標(biāo)準(zhǔn)氧化銦錫（ITO）涂層玻璃襯底上制備簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室級(jí)光電探測(cè)器，并對(duì)該器件進(jìn)行了表征和性能測(cè)量。ICFO博士后研究員、本論文第一作者Yongjie Wang表示：“這些實(shí)驗(yàn)室級(jí)器件是通過底部的照射光來運(yùn)行的。但對(duì)于CMOS集成的膠體量子點(diǎn)堆疊來說卻是相反的，光來自頂部，器件的底部由CMOS電子器件占據(jù)。因此，我們必須克服的第一個(gè)挑戰(zhàn)是重新設(shè)計(jì)器件。這個(gè)過程理論上聽起來很簡(jiǎn)單，但在現(xiàn)實(shí)中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)?！?/p>

圖2 Ag?Te量子點(diǎn)短波紅外光電二極管

最初，光電二極管在短波紅外傳感方面性能表現(xiàn)不佳，促使研究人員重新設(shè)計(jì)并加入了緩沖層。這一調(diào)整顯著增強(qiáng)了Ag?Te量子點(diǎn)光電探測(cè)器的性能，使其光譜范圍達(dá)到350 nm-1600 nm，線性動(dòng)態(tài)范圍超過118 dB，-3dB帶寬超過110 kHz，室溫探測(cè)率可達(dá)1012 Jones量級(jí)。

圖3 Ag?Te量子點(diǎn)光電二極管的性能

本論文通訊作者、ICFO的Gerasimos Konstantatos表示：“據(jù)我們所知，本項(xiàng)研究報(bào)道的光電二極管首次實(shí)現(xiàn)了溶液處理合成無毒的短波紅外光電二極管，該器件性能可與其它含重金屬的量子點(diǎn)器件性能相媲美。同時(shí)這些結(jié)果進(jìn)一步證明，Ag?Te量子點(diǎn)作為一種符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的前途光明的材料，適合于低成本、高性能的短波紅外光電探測(cè)器應(yīng)用?！?/p>

隨著這種不含重金屬的量子點(diǎn)光電探測(cè)器的成功開發(fā)，研究人員進(jìn)一步與ICFO孵化公司Qurv Technologies合作，通過構(gòu)建短波紅外圖像傳感器的研究案例來展示其潛力。該研究團(tuán)隊(duì)將新型光電二極管與基于CMOS讀出集成電路（ROIC）焦平面陣列（FPA）相集成，首次展示了在概念驗(yàn)證階段的無毒且室溫工作的基于膠體量子點(diǎn)的短波紅外圖像傳感器。研究人員通過拍攝目標(biāo)物體來測(cè)試該成像儀在短波紅外波段的探測(cè)效果。特別是，該傳感器能夠在短波紅外波段透過硅晶圓進(jìn)行成像，以及對(duì)在可見光波段不透明塑料瓶中的內(nèi)容物進(jìn)行可視化成像。

圖4 Ag?Te量子點(diǎn)光電探測(cè)器和成像

Gerasimos Konstantatos認(rèn)為：“使用低成本消費(fèi)電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)短波紅外探測(cè)，將釋放該光譜范圍的巨大應(yīng)用潛力，例如改善汽車工業(yè)的視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在惡劣天氣條件下的視覺和駕駛。短波紅外波段約為1.35 μm -1.40 μm，可以提供全天候免受背景光干擾且符合人眼安全的窗口，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激光雷達(dá)（LiDAR），以及用于汽車、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的3D成像?！?/p>

目前，研究人員希望通過設(shè)計(jì)構(gòu)成光電探測(cè)器的層堆疊來提高光電二極管的性能。同時(shí)，他們還希望為Ag?Te量子點(diǎn)探索新的表面化學(xué)物質(zhì)，從而改善材料的性能以及在推向市場(chǎng)過程中材料的熱穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性。

審核編輯：劉清