无量子点为消费电子产品的CMOS短波透视 图像传感器铺平了道路
我们肉眼看不见的短波透视 (SWIR) 光可以在服务机器人、汽车和消费电子市场的大批量、计算机视觉优先应用中实现前所未有的可靠性、功能和性能。具有短波透视 灵敏度的图像传感器可以在明亮的阳光、雾、霾和雾等不利条件下可靠运行。此外，SWIR 系列提供人眼安全的照明源，并开启了通过分子成像检测材料特性的可能性。
基于胶体量子点 (CQD) 的图像传感器技术提供了一个有前景的技术平台，可在短波透视 (SWIR) 中实现大容量兼容图像传感器。CQD(纳米半导体晶体)是一种溶液处理材料平台，可与 CMOS 集成并能够访问 SWIR 范围。然而，将短波透视 敏感量子点转化为大众市场应用的关键支持技术存在一个根本障碍，因为它们通常含有铅或汞等重金属(IV-VI Pb、Hg 硫族化物半导体)。这些材料受有害物质限制 (RoHS) 的监管，这是一项欧洲指令，规范其在商业消费电子应用中的使用。
在《自然光子学》上发表的一项新研究中，ICFO 研究人员 Yongjie Wang、Lu Cheng Peng 和 Aditya Malla由ICFO Gerasimos Konstantatos 的 ICREA 教授领导，与来自 Qurv 的研究人员Julien Schreier、Yu Bi、Andres Black 和 Stijn Goossens合作，报道了基于无胶体量子点的高性能透视 光电探测器和在室温下工作的短波透视 (SWIR)图像传感器的开发。该研究描述了一种合成尺寸可调、无磷碲化银(Ag 2 Te)量子点的新方法，同时保留了传统重金属对应物的有利特性，为大批量引入短波透视 胶体量子点技术铺平了道路市场。
在研究如何合成碲化银铋(AgBiTe 2)纳米晶体以扩大AsBiS 2技术的光谱覆盖范围以增强光伏器件的性能时，研究人员获得了副产品碲化银(Ag 2 Te)。这种材料表现出类似于量子点的强且可调节的量子限制吸收。他们意识到其在短波透视 光电探测器和图像传感器方面的潜力，并致力于实现和控制一种新工艺来合成无磷化氢碲化银量子点，因为磷化氢被发现对量子点的光电特性产生不利影响与光电检测相关。
在他们的新合成方法中，该团队使用了不同的无膦络合物，例如碲和银前体，使他们获得了尺寸分布良好控制的量子点，并且在很宽的光谱范围内具有激子峰。在制造和表征之后，新合成的量子点表现出卓越的性能，具有超过 1500 nm 的明显激子峰——与之前基于膦的量子点制造技术相比，这是前所未有的成就。
研究人员随后决定将获得的无磷量子点用于在通用标准 ITO(氧化铟锡)涂层玻璃基板上制造简单的实验室规模光电探测器，以表征设备并测量其性能。“这些实验室规模的设备是通过从底部发出的光来操作的。对于 CMOS 集成 CQD 堆栈，光来自顶部，而器件的底部则由 CMOS 电子器件接收”，ICFO 博士后研究员、该研究的第一作者 Yongjie Wang 评论道。“因此，我们必须克服的第一个挑战是恢复设备设置。这个过程在理论上听起来很简单，但实际上被证明是一项具有挑战性的任务”。
最初，光电二极管在感应短波透视 光方面表现出较低的性能，促使重新设计并加入了缓冲层。这一调整显着增强了光电探测器的性能，使短波透视 光电二极管呈现出 350nm 至 1600nm 的光谱范围、超过 118dB 的线性动态范围、超过 110kHz 的 -3dB 带宽以及 10 12 Jones 量级的室温探测灵敏度。
“据我们所知，这里报道的光电二极管首次实现了溶液处理的无短波透视 光电二极管，其品质因数与其他含有重金属的同类光电二极管相当”，ICFO 的 ICREA 教授 Gerasimos Konstantatos和该研究的主要作者提到。“这些结果进一步支持了这样一个事实：Ag 2 Te 量子点作为一种有前途的符合 RoHS 要求的材料，适用于低成本、高性能 SWIR 光电探测器应用”。
随着这种不含重金属的量子点光电探测器的成功开发，研究人员进一步与 ICFO 的衍生公司 Qurv 合作，通过构建 SWIR 图像传感器作为案例研究来展示其潜力。该团队将新型光电二极管与基于 CMOS 的读出集成电路 (ROIC) 焦平面阵列 (FPA) 集成，首次展示了概念验证、无、室温操作的 SWIR 量子点图像传感器。该研究的作者测试了成像仪，通过拍摄目标物体的几张照片来证明其在短波透视 中的操作。特别是，他们能够在短波透视 光下对硅晶片的透射进行成像，以及对在可见光范围内不透明的塑料瓶中的内容物进行可视化。
Gerasimos Konstantatos 表示：“通过消费电子产品的低成本技术接入 SWIR，将释放该光谱范围的潜力，具有广泛的应用，包括改进汽车工业视觉系统，实现恶劣天气条件下的视觉和驾驶” 。“SWIR 波段约为 1.35-1.40 µm，可以在白天/夜间条件下提供人眼安全的窗口，无背景光，从而进一步实现远程光检测和测距 (LiDAR)、汽车三维成像、增强型现实和虚拟现实应用”。
现在，研究人员希望通过设计构成光电探测器设备的层堆叠来提高光电二极管的性能。他们还希望探索 Ag 2 Te 量子点的新表面化学，以提高材料在上市过程中的性能以及热稳定性和环境稳定性。
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