无毒量子点为消费电子产品用CMOS短波红外图像传感器铺平了道路

顶部照明的Ag2Te QD 光电探测器和成像仪。自然光子学。（2024）. DOI：

10.1038/s41566-023-01345-3

我们肉眼看不见的短波红外 （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SWIR灵敏度的图像传感器可以在明亮的阳光、雾、雾和烟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光源，并开辟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途的技术平台，可在 SWIR 中实现大批量兼容的图像传感器。

CQD（纳米半导体晶体）是一种溶液处理的材料平台，可以与CMOS集成，并可以访问SWIR系列。然而，将SWIR敏感量子点转化为大众市场应用的关键使能技术存在一个根本性的障碍，因为它们通常含有铅或汞等重金属（IV-VI Pb，汞硫族化物半导体）。

这些材料受有害物质限制 （RoHS） 法规的约束，RoHS 是一项欧洲指令，规范其在商业消费电子应用中的使用。

在发表在《自然光子学》上的一项研究中，ICFO的研究人员Yongjie Wang，Lucheng 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，报告了基于无毒胶体量子点的高性能红外光电探测器和室温下SWIR图像传感器的开发。

该研究描述了一种合成大小可调、无磷化氢的碲化银（Ag2Te）量子点在保留传统重金属对应物的有利性能的同时，为SWIR胶体量子点技术在大批量市场中的引入铺平了道路。

在研究如何合成碲化银铋（AgBiTe2） 纳米晶体，以扩展 AsBiS 的光谱覆盖范围2提高光伏器件性能的技术，研究人员获得了碲化银（Ag2Te）作为副产品。

这种材料显示出类似于量子点的强且可调的量子限制吸收。他们意识到其在SWIR光电探测器和图像传感器方面的潜力，并努力实现和控制一种合成无磷化物版本的碲化银量子点的新工艺，因为发现磷化氢对与光探测相关的量子点的光电特性有不利影响。

在他们新的合成方法中，该团队使用了不同的无磷化氢配合物，如碲和银前体，使他们获得了在非常宽的光谱范围内具有良好控制的尺寸分布和激子峰的量子点。

在制造和表征它们后，新合成的量子点表现出了卓越的性能，在1,500nm以上具有明显的激子峰，与之前基于磷化氢的量子点制造技术相比，这是一项前所未有的成就。

然后，研究人员决定实施获得的无磷化氢量子点，在通用标准ITO（氧化铟锡）涂层玻璃基板上制造一个简单的实验室规模的光电探测器，以表征这些器件并测量其特性。

“这些实验室规模的设备是在底部发出的闪亮光线下操作的。对于CMOS集成的CQD堆栈，光来自顶部，而器件的底部则由CMOS电子设备拍摄，“ICFO博士后研究员、该研究的第一作者Yongjie Wang说。“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，光电二极管在检测SWIR光方面表现出较低的性能，因此需要重新设计并加入缓冲层。这种调整显著增强了光电探测器的性能，使SWIR光电二极管的光谱范围从350nm到1,600nm，线性动态范围超过118 dB，-3dB带宽超过110 kHz，室温检测率达到10级12琼斯。

“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毒短波红外光电二极管，其品质因数与其他含重金属的同类产品相当，”ICFO的ICREA教授、该研究的主要作者Gerasimos Konstantatos提到。

“这些结果进一步支持了Ag2Te量子点成为一种很有前途的符合RoHS标准的材料，适用于低成本、高性能的SWIR光电探测器应用。

随着这种基于重金属量子点的光电探测器的成功开发，研究人员更进一步，与ICFO的衍生产品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。

该团队将新的光电二极管与基于CMOS的读出集成电路（ROIC）焦平面阵列（FPA）集成在一起，首次展示了一种基于概念验证、无毒、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SWIR中的操作。特别是，他们能够对硅晶圆在短波红外光下的透射率进行成像，并可视化在可见光范围内不透明的塑料瓶的内容。

Gerasimos Konstantatos说：“使用低成本的消费电子技术访问SWIR将释放该光谱范围的潜力，其应用范围广泛，包括改进的汽车工业视觉系统（汽车），在恶劣天气条件下实现视觉和驾驶。

“SWIR波段约为1.35-1.40μm，可以提供人眼安全的窗口，在白天/黑夜条件下没有背景光，从而进一步实现远程光探测和测距（LiDAR），用于汽车、增强现实和虚拟现实应用的三维成像。”

现在，研究人员希望通过设计构成光电探测器装置的层堆叠来提高光电二极管的性能。他们还想探索银的新表面化学成分2量子点，用于提高材料的性能以及热和环境稳定性，使其进入市场。