在服务机器人、汽车和消费电子等需要大批量机器视觉传感的应用中，人眼无法看见的短波红外（SWIR）光可以实现前所未有的可靠性、功能和性能。短波红外图像传感器可以在强光、雾、霾以及烟雾等恶劣条件下可靠地工作。此外，短波红外波段不仅提供了符合人眼安全的光源，而且开辟了利用分子成像检测材料特性的可能性。
基于胶体量子点（CQD）的光电探测技术为在短波红外波段实现大批量兼容图像传感器提供了一个前途光明的技术平台。胶体量子点是纳米半导体晶体，也是一种溶液处理的材料平台，可以与CMOS技术集成并实现短波红外波段传感与成像。然而，将短波红外量子点应用于大众市场存在一个基本障碍，就是因为它们通常含有铅或汞等重金属。而这些重金属材料受到欧盟强制性标准《RoHS指令》的监管，限制了其在商业消费电子领域中的大量使用。
据麦姆斯咨询报道，近日，在西班牙巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）的Gerasimos Konstantatos教授的带领下，由ICFO与西班牙Qurv Technologies公司组成的研究团队在Nature Photonics期刊上发表了以“Silver telluride colloidal quantum dot infrared photodetectors and image sensors”为主题的论文。该论文报道了室温工作的基于无毒胶体量子点的高性能红外光电探测器和短波红外图像传感器的开发。该研究描述了一种合成尺寸可调谐、无磷化氢的碲化银（Ag₂Te）量子点的新方法，这种方法保留了传统含重金属量子点的优势特性，为在量产市场中引入短波红外胶体量子点技术铺平了道路。
在研究如何通过合成碲化银铋（AgBiTe₂）纳米晶体来扩大AsBiS₂的光谱覆盖范围，从而提高光伏器件性能时，研究人员获得了副产物Ag₂Te。这种材料表现出类似于量子点的强大且可调谐的量子限制吸收。研究人员意识到了Ag₂Te在短波红外光电探测器及图像传感器中的应用潜力，并致力于实现和控制一种合成无磷化氢的Ag₂Te量子点的新工艺，这是因为磷化氢对与光电探测相关的量子点特性有着不利影响。
图1 尺寸可调谐的Ag₂Te量子点
在这项研究的新合成方法中，研究人员使用了不同的无磷化氢配合物（如碲和银前体），这使其获得了良好控制的尺寸分布的量子点，并且在非常宽的光谱范围内产生了激子峰。经过制备和表征，新合成的量子点表现出了卓越的性能，在大于1500 nm时具有明显的激子峰。与以往基于磷化氢的量子点制备技术相比，该方法合成的量子点达到了前所未有的成就。
随后，研究人员将所获得的无磷化氢量子点用于在通用标准氧化铟锡（ITO）涂层玻璃衬底上制备简单的实验室级光电探测器，并对该器件进行了表征和性能测量。ICFO博士后研究员、本论文第一作者Yongjie Wang表示：“这些实验室级器件是通过底部的照射光来运行的。但对于CMOS集成的胶体量子点堆叠来说却是相反的，光来自顶部，器件的底部由CMOS电子器件占据。因此，我们必须克服的第一个挑战是重新设计器件。这个过程理论上听起来很简单，但在现实中是一项具有挑战性的任务。”
图2 Ag₂Te量子点短波红外光电二极管
最初，光电二极管在短波红外传感方面性能表现不佳，促使研究人员重新设计并加入了缓冲层。这一调整显著增强了Ag₂Te量子点光电探测器的性能，使其光谱范围达到350 nm-1600 nm，线性动态范围超过118 dB，-3dB带宽超过110 kHz，室温探测率可达10¹² Jones量级。
图3 Ag₂Te量子点光电二极管的性能
本论文通讯作者、ICFO的Gerasimos Konstantatos表示：“据我们所知，本项研究报道的光电二极管首次实现了溶液处理合成无毒的短波红外光电二极管，该器件性能可与其它含重金属的量子点器件性能相媲美。同时这些结果进一步证明，Ag₂Te量子点作为一种符合RoHS标准的前途光明的材料，适合于低成本、高性能的短波红外光电探测器应用。”
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孵化公司Qurv Technologies合作，通过构建短波红外图像传感器的研究案例来展示其潜力。该研究团队将新型光电二极管与基于CMOS读出集成电路（ROIC）焦平面阵列（FPA）相集成，首次展示了在概念验证阶段的无毒且室温工作的基于胶体量子点的短波红外图像传感器。研究人员通过拍摄目标物体来测试该成像仪在短波红外波段的探测效果。特别是，该传感器能够在短波红外波段透过硅晶圆进行成像，以及对在可见光波段不透明塑料瓶中的内容物进行可视化成像。
图4 Ag₂Te量子点光电探测器和成像
Gerasimos Konstantatos认为：“使用低成本消费电子产品实现短波红外探测，将释放该光谱范围的巨大应用潜力，例如改善汽车工业的视觉系统，实现在恶劣天气条件下的视觉和驾驶。短波红外波段约为1.35 µm -1.40 µm，可以提供全天候免受背景光干扰且符合人眼安全的窗口，从而进一步实现远程激光雷达（LiDAR），以及用于汽车、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）的3D成像。”
目前，研究人员希望通过设计构成光电探测器的层堆叠来提高光电二极管的性能。同时，他们还希望为Ag₂Te量子点探索新的表面化学物质，从而改善材料的性能以及在推向市场过程中材料的热稳定性和环境稳定性。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01345-3
延伸阅读：
《量子点材料技术及市场-2023版》
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
