640×512规模碲化汞量子点中波红外焦平面阵列

MEMS 2023-07-21 00:01

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北京理工大学唐鑫教授最新成果介绍

编者按

北京理工大学唐鑫教授团队最新成果，实现了首个 640×512 规模 HgTe 量子点中波红外焦平面阵列，为非倒装键合体制中波红外成像焦平面的制备提供了新的方案。该成果将发表在《红外与激光工程》2023年第7期。

撰稿人：唐鑫

论文题目：640×512规模碲化汞量子点中波红外焦平面阵列（特邀）

作者：谭伊玫，张硕，罗宇宁，郝群，陈梦璐，刘雁飞，唐鑫

完成单位：北京理工大学光电学院；中芯热成科技（北京）有限责任公司

导读

中波红外成像在军事侦察、遥感测绘、航天航空等领域发挥了重要作用。胶体量子点作为一种新兴液态半导体材料，具有光谱调控范围“宽”、合成规模“大”、制备成本“低”、以及加工工艺“易”等优势，为新型红外焦平面阵列研发提供了全新的思路。本文提出一种捕获型碲化汞胶体量子点中波焦平面阵列结构设计及制备方法。碲化汞量子点采用“热注法”合成，并通过旋涂方法实现与硅基读出电路的直接电学耦合，阵列规模及像元间距为640×512及15µm。在80K工作温度下对焦平面阵列进行了性能测试，碲化汞焦平面阵列响应截止波长达到4.6μm、比探测率为2×10¹⁰ Jones、噪声等效温差51.26mK（F#=2）、响应非均匀性3.42%且有效像元率高达99.99%，展现了较好的成像性能，为非倒装键合体制中波红外成像焦平面的制备提供了新的方案（图1）。

图1 量子点中波成像焦平面阵列材料制备、器件加工及成像测试流程图示意图

研究背景

早期胶体量子点研究主要集中于硫化铅（PbS）、碲化镉（CdTe）、硒化镉（CdSe）等材料，其探测波长局限于可见光及近红外波段，主要用于太阳能电池、显示等应用场景。2009年，西门子公司与University of Linz合作，报道了基于硅薄膜晶体管的硫化铅量子点256×256像素阵列焦平面阵列，并实现了近红外成像。2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens课题组通过使用石墨烯及PbS量子点晶体管结构，完成了近红外焦平面阵列制备，阵列规模388×288，像元间距35µm。2022年，华中科技大学报道了一种基于PbS量子点的近红外焦平面阵列，并展示了940nm光照下的成像效果。

中波红外胶体量子点的研究起源于2011年，芝加哥大学Philippe Guyot-Sionnest教授课题组采用油胺作为溶剂，首次合成了吸收波段达到5μm的碲化汞（HgTe）量子点，并在2014年及2023年采用带间跃迁及带内跃迁方式完成了长波红外碲化汞量子点合成及探测器制备工作，探测波长达到12μm。与PbS量子点相比，HgTe量子点在探测波长方面展现了明显优势。2016年，受美国国防高级计划研究局（DARPA）资助，Sivananthan Laboratories, Inc与芝加哥大学Guyot-Sionnest课题组合作，实现了320×256阵列规模胶体量子点中波红外（截止波长5μm）焦平面阵列，并获得了人体热成像图像，噪声等效温差(NETD)为102mK。

2022年，北京理工大学光电学院报道了8英寸晶圆级HgTe量子点制备方法，阵列规模320×256、像元间距30µm，室温下实现截止波长2.5μm短波红外成像。同年北京理工大学团队报道了基于直接量子点光刻方法的紫外-短波红外双波段焦平面阵列，阵列规模320×256、像元间距30µm。2023年，北京理工大学团队报道了基于HgTe量子点、截止波长达到2.5μm的1280×1024阵列规模百万像素短波红外焦平面阵列。相关研究探明了胶体量子点非倒装键合硅基直接集成工艺方法及技术可行性。

主要内容

本文报道了首个640×512规模HgTe量子点中波红外焦平面阵列。HgTe量子点可与读出电路直接耦合，可实现晶圆级探测器制备。研究团队对红外焦平面探测器的性能进行定量分析，测试参数包括响应非均匀性、噪声电压、比探测率、有效像元率等。

相关测试使用校准后的黑体作为光源。黑体的发射腔直径约为4cm，量子点焦平面阵列与发射腔之间的距离约为25cm。实验结果表明量子点焦平面阵列器件的响应非均匀性低至3.42%。在积分时间2ms，器件偏压2.3V时，平均噪声电压低至0.66mV。探测器平均峰值比探测率约为2×10¹⁰ Jones。相关测试结果如图2所示。

图 2 探测器的（a）响应分布图和响应统计直方图；（b）噪声分布图和噪声统计直方图；（c）比探测率分布图和比探测率统计直方图

通过增加积分时间，探测器信噪比可获得提升，进而减少器件噪声等效温差。当积分时间增加至8ms时，噪声等效温差为51.26mK。量子点中波红外探测器可进行热成像，如图3所示。

图3 量子点中波红外成像

结论

本文报道了硅基读出电路兼容的捕获型HgTe量子点中波红外热成像焦平面，并且展示了量子点红外热成像能力。在80K工作温度下，噪声等效温差为51.26mK（F#=2）、响应非均匀性低至3.42%，有效像元率高达99.99%，响应截止波长为4.6μm，峰值比探测率可达2×10¹⁰ Jones。通过晶圆级集成，基于HgTe量子点中红外热成像探测器有望解决焦平面制备成本高、工艺复杂及阵列规模小等瓶颈问题，为低成本、大阵列焦平面的研发提供工艺基础。未来，HgTe量子点还将与3D纳米结构压印等加工技术相结合，开发多功能、多模态的红外探测器。

作者简介

唐鑫，北京理工大学光电学院，教授/博士生导师，入选海外高层次人才引进计划青年项目、中国科协青年人才托举工程等。主持国家自然科学基金重点项目“大面阵焦平面多色成像技术”、国家重点研发计划专项“碳基-量子点复合材料片上集成式红外芯片技术”等项目。长期从事新型量子点红外探测及成像技术研究工作，为低成本高性能多色红外焦平面阵列的研发提供了技术及理论基础，先后实现了背景限探测中波红外探测器、短波/中波红外双色探测器、百万像素短波红外焦平面阵列、紫外-红外双色焦平面阵列等研究工作。第一作者或通讯作者发表学术论文60余篇，包括Nature Photonics、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano、Laser&Photonics Reviews、ACS Photonics等。