浅谈光电探测器和图像传感器（九）:量子点图像传感器（1）

/00 前言/

前面的浅谈光电探测器和图像传感器系列介绍了按波长分类的紫外、可见、红外、X射线探测器的工作原理和主要分类，常见光电探测器的原理、材料和器件结构、光电探测器的主要分类、新型图像传感器等内容。

这篇文章继续介绍新型图像传感器和光电探测器。前面提到“新型"的主要体现有产品形态的新、功能设计上的新、电路架构上的新、光学设计上的新、工艺实现上的新、和材料、器件、物理层面上的新。今天这篇文章主要讲材料层面的新，由于篇幅有限，今天主要讲量子点图像传感器。

/01 量子点材料简介/

2023年10月4日，2023年诺贝尔化学奖授予了Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov，以表彰他们在量子点的发现和合成方面做出的贡献。

量子点是一种量子点是一种尺寸在 10 nm~100 nm之间的半导体纳米材料，相比于体材料，其具有独特的物理和化学性质，其中一个性质就是由量子尺寸效应导致的其电子能级和光学性质与其尺寸和形状密切相关。具体体现是量子点的发射光谱和吸收光谱可以通过尺寸和形貌进行调节设计。

QD 可以由多种半导体材料制备，包括传统材料：比如Cd基、In基、PbS、钙钛矿、硅、 GaAs 等，以及新兴材料，比如石墨烯、黑磷、碳基。

QD的合成方法包括溶剂热法、气相沉积法和微乳液法。其中胶体量子点通常指的是在溶液中进行合成和处理的纳米尺寸的晶体，其能均匀地分散在溶液中，量子点的表面覆盖一层有机配体，配体通过配位键连接到量子点表面。

量子点，作为一种当前研究较热的新兴材料在光电、传感、生物医疗、显示、能源、光催化、电子、通信等诸多领域都有广泛的应用。

在光电领域，QD可用于制造高性能激光器、光电探测器和光学开关。QD激光器具有窄线宽、高效率和可调谐性等优点。QD光电探测器具有高灵敏度和光谱响应可调谐等特点。

在生物医学领域，QD可用于生物成像和癌症治疗，QD发光纯度高，荧光特性好，可以用于高分辨荧光成像。量子点能作为药物载体，为癌症诊断和治疗提供新的可能。比如可以作为肿瘤药物‘递送系统’，用于癌症的靶向治疗（硬科技｜碳量子点，开拓肿瘤免疫治疗新世界 - 科技新闻传播 科技知识普及 (zghy.org.cn)）。

在电子领域，量子点可用于制备低成本太阳能电池，光电二极管，尤其是在显示领域中，QLED由于其高色彩质量、高亮度、高HDR是目前一大研究热点。

就材料特性而言，量子点具备量子限域效应、尺寸效应和表面效应。这三个效应是量子点相比于传统的半导体体材料的主要区别，也是其诸多特性和优势的主要原因。

量子限域效应和尺寸效应带给量子点光、电特性可调谐，这带给基于量子点的器件很多设计上和控制上的自由度。量子效应下，QD具有可调谐的能带带隙，从而实现光学特性（包括吸收和发射）的可调控。尺寸效应使得量子点可以简单通过尺寸控制实现性能调控，这带来设计自由度的增加。

表面效应下，使得量子点材料具有大的比表面积，从而对环境敏感，也能提供更多的对外附着点，从而广泛应用于生物医学、催化等领域。

此外，工艺兼容性高也是量子点的一大优势，CMOS兼容的量子点技术一直是学术界业界的研究热点，由于QD胶体量子点独特的液相合成特性，可以采用滴涂、旋涂、喷涂、提拉法等方式实现后道兼容工艺,从而实现硅基单片集成，避免了倒装键合工艺中复杂的对准及倒装键合过程。

然而，目前量子点依然面临一些问题，比如技术成熟度相对较低，产业化还在比较初期阶段，材料的可靠性和稳定性也有待提升，此外，由于以量子点的形式存在，电学输运的迁移率较低。

/02 量子点的研究趋势/

量子点图像传感器近年的相关研究较多，领域处于快速发展阶段，从文献发表数量来看呈现出随着时间近指数增长趋势。国内外诸多高校、研究所都有开展相关研究，包括浙江大学、南京大学、吉林大学，苏州大学等。

要说图像传感器领域的新型材料中，离产业界比较近的，那莫过于量子点了。虽然高校和研究所依然是量子点图像传感器的研究主力，但是其产业化也逐渐进入发展阶段，可以看到近年来有很多基于量子点图像传感器相关的产学研结合的工作。这说明Quantum dot 的光电技术正逐步发展成熟，实现从lab到fab，从school到company的迈越。

近年来涌现了不少基于量子点的光电领域相关的公司，下表中只列举了部分相关公司（后面有时间再完善）。作为一项新兴技术，量子点不仅是业界各大公司为实现业务扩展和技术迭代而争相研究的战略性领域，包括华为、三星、意法半导体，imec，还是初创公司实现赛道创新、产研孵化的热点投资对象。

/03 量子点红外图像传感器/

量子点光电器件中研究最多的领域之一就是红外图像传感。虽然目前短波红外成像市场由InGaAs红外焦平面传感器主导，但其具有价格昂贵、像素大小和间距较大，工艺复杂，非单片集成等问题。而近年，业界在量子点SWIR图像传感器领域取得了巨大的进步，在某些应用领域，它们可以成为高成本的InGaAs探测器的替代解决方案。

QD图像传感器由于其低成本、硅基兼容，可单片集成，光学串扰低、宽响应谱段、高像素分辨率等优势，尤其适用于消费级领域的低成本应用场景。近年来，国内外诸多企业都报道了其在QD红外图像传感器领域的研究进展。

优势1：量子点的低光学串扰特性

优势2：量子点的可调特性

优势3：量子点CIS的高像素分辨率

2017年，Nature Photonic上发表西班牙光子科学研究所（ICFO）Koppens研究团队的相关工作，其团队首次实现在硅基集成电路上单片集成量子点和石墨烯材料，制备CMOS图像传感器。其采用PbS胶体量子点，将其沉积在CVD石墨烯上并实现该混合系统CMOS的硅基读片上集成。

2021年，意法半导体在IEDM上发表会议论文，展示了一款1.62µm像素间距的全局快门SWIR图像传感器，在1400nm波长的量子效率达到60%，快门效率为99.98%。这一QD 图像传感芯片在300 mm晶圆上制造，基于后道兼容的量子点薄膜沉积工艺，实现将溶液处理、胶体生长的硫化铅 (PbS) 量子点单片集成于硅基CMOS读出电路上。

2022年，华为联合华中科技大学在Nature Electronics上发表文章，展示了国内首款硫化铅胶体量子点红外图像传感器，通过溶液可制备的PbS胶体量子点做为红外光的响应材料，响应波段为400-1300纳米，动态范围高达100dB，3dB带宽为140kHz，文章中展示了640 × 512的像素阵列，并用这一低成本、高性能、单片集成的红外成像芯片展示了在血管成像等应用场景相对于传统InGaAs红外传感器的优势。

2024年，中芯热成科技联合北京理工大学发表文章，介绍了其在量子点中波红外焦平面阵列的研究进展。其报道了首个百万像素量子点中波红外焦平面探测器，阵列规模为1280 × 1024。该阵列采用碲化汞胶体量子点，通过液相旋涂的方法，实现硅基读出电路直接片上集成。性能方面，该工作展现出80 K 工作温度下探测截止波长为 4.8µm，响应非均匀性为 9%，有效像元率为 99. 96%，最低噪声等效温差达 30 mK。

值得一提的是，基于量子点的红外相机已有产品推出，近年来，SWIR Vision Systems公司推出了两款基于AcurosCQD技术的量子点红外相机，分别是Acuros 6和Acuros 4，对应像素规格分别为630 万像素和420万像素。在保证红外成像性能的情况下，可使生产成本更加经济实惠。

Emberion致力于开发和供应覆盖可见光至短波红外波段（成像范围400 nm ~ 2,000 nm）的探测器和相机。Emberion公司最近联合quantum solutions公司推出了VS20 VIS-SWIR相机,该相机基于量子点技术，通过在CMOS读出电路上集成纳米量子点材料制造而成。根据相关报道，Emberion的半导体纳米晶体材料也是在标准CMOS晶圆上单片集成的。与混合封装工艺相比，单片集成的方式能够提高良率和可靠性，降低制造成本，这也是基于量子点的红外图像传感器的一大优势。

上述量子点图像传感器主要是工作于可见到近红外波段，对于中波红外波段，目前，暂未看到用于中红外波段的相关量子点光电器件的产品推出。

昆明物理研究所唐利斌等人综述了近年来中红外量子点材料和光电探测器的研究进展和相关性能，常用于中红外的量子点材料主要有HgSe、HgTe、PbSe、Ag2Se 和 HgCdTe 。

由于量子点可以通过尺寸和组分实现不同波段的响应，因此可以通过将不同的量子点结合，实现双色探测乃至多色探测。

/04 量子点下转换光电探测/

量子点既能作为很好的吸光材料，也具备很好的发光性能，因此通过对量子点“吸光-发光”特性的利用，可以实现下转换发光，作为光电功能层用于短波探测乃至高能探测中。比如X射线探测和UV紫外探测等。Quantum Solutions公司的UV sensor就是基于其量子点的下转换特性实现的。

/05 量子点柔性图像传感器/

量子点的另一个优势就是可以实现柔性化，柔性图像传感器的主要优势和应用领域已在上一期的文章中有详细介绍浅谈光电探测器和图像传感器（八）:新型传感器之柔性图像传感器和透明图像传感器。

2019年，韩国Chung-Ang大学的研究团队利用低温 (<150°C) 构筑了基于量子点的柔性化全色彩光电探测阵列。该探测器通过单片集成不同尺寸的胶体量子点 (QDs) 和IGZO实现。该柔细量子点光电探测器展现出高光探测率 (>4.2 × 10^17 Jones) 、高光响应度 (>8.3 × 10^3 A W^{-1})、宽探测范围 (365 至 1310 nm)。基于这一器件，研究人员在类皮肤的柔软平台上实现了波长可分辨的光晶体管电路阵列 (>600 个光晶体管)。该技术有望成为可穿戴的生物传感器解决方案。

/06 量子点无滤光片图像传感器/

基于量子点可制备无滤光阵列的图像传感器。这是由于其一量子点对光吸收具有很好的选择性，因此其吸光过程本身自带滤光功能；其二，量子点可基于溶液法制备和薄膜工艺，因此可以容易的实现多个功能层的堆叠。基于以上两个材料优势，可以实现创新的无滤光、多感光层的像素设计。这一设计有利于实现低光学串扰，高成像分辨率的图像传感器阵列。

/07 量子点片上光谱仪/

光谱仪是研究物质与光相互作用的电子设备，在食品检测、环境监测、工业生产控制、生物医疗、传感等领域有着广泛的应用。传统的光谱仪以台式设备的形态存在，体积庞大、成本高昂，主要用于实验室或者工业生产中，难以用于便携式应用和消费级应用。同之前介绍的偏振探测一样，光谱探测设备目前也向着小型化、模组化、器件化方向发展（浅谈光电探测器和图像传感器（六）:从成像技术角度新型探测器之偏振探测）。为了适配更多的应用场景，满足to-C类产品的诸多需求，学术界和企业界开发了各种微型光谱仪（关于光谱仪的发展和种类这一部分后面再展开介绍）。

由于微型光谱仪主要用于消费类电子或者便携式应用，因此其对于性能要求不高，但是对其集成度，制造成本、重量却有要求。

胶体量子点光谱仪是一种新型的微型光谱仪，具有体积小、成本低、易于使用等优点。该光谱仪利用胶体量子点的独特光学性质，可以实现对光谱的快速、准确测量。目前基于量子点的光谱仪多基于量子点滤光片阵列原理，主要利用的量子点的光学特性而非光电特性。清华大学的鲍捷等人早在2015年就在nature上发表论文展示了基于胶体量子点作为filter的片上光谱相机。随后，鲍捷还成立了芯视界科技公司，专注于量子点光谱传感芯片及物质光谱信息大数据库的研发、构建和应用。

近年来还有很多基于量子点光谱仪的研究工作。2020年北京理工大学钟海政教授研究团队在使用非铅钙钛矿(MA)3Bi2X9和Cs2SnX6（MA = CH3NH3;X = Cl, Br, I）材料，通过原位制备策略，得到了透过光谱连续可调的非发光无铅钙钛矿量子点膜，该工作展示了超越人眼分辨率的光谱探测性能。

/08 量子点+/

量子点这一材料的一大优势在于其工艺兼容性比较好，其既可以和传统材料兼容，作为传统器件的锦上添花，又可以和其他新兴材料强强联合，实现全新的器件构型。比如其可以和传统半导体材料，硅基等兼容，又可以和新兴材料结合，比如石墨烯，氧化物半导体、有机材料等等，还可以将不同的量子点结合。这样高的工艺兼容性和材料组合自由度，使得我们可以像搭积木一样，将QD材料和不同的材料结合，设计不同器件构型，从而实现不同目的（比如高性能、低成本、多功能）的光电器件和应用。

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（说明1：由于涉及的参考文献和图片比较多，如有遗漏还请谅解）