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湖北光谷实验室唐江教授团队潜心研制“中国造”短波红外成像芯片


  来源: 湖北日报 时间:2022-09-14 编辑:清风
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原标题:湖北光谷实验室唐江教授团队—— 潜心研制“中国造”短波红外成像芯片

湖北日报全媒记者 方琳


编者按

省第十二次党代会强调,“坚持创新驱动发展,加快建设现代产业体系”“打造全国科技创新高地”。明确提出,加强战略科技力量培育,争创国家实验室或在鄂基地,推进全国重点实验室优化重组,高水平建设汉江实验室、光谷实验室和东湖实验室等湖北实验室,建设重大科技基础设施集群。

去年2月至今,我省已有10家湖北实验室陆续正式运行,它们“组团”发力,为推进全省科技创新体系整体效能加装“发动机”,增强新动能。一年多来,湖北实验室科研取得了哪些进展?建设者们有哪些新探索?8月底开始,湖北日报全媒记者先后走进部分湖北实验室,感受这里科研一线创新攻关的风采。

“大家一直在做相关实验,不断提高它的稳定性,争取早日产业化。”8月25日,湖北光谷实验室8楼,华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授高亮向湖北日报全媒记者先容,他所在的唐江教授团队目前研制的量子点短波红外成像芯片进展顺利。


每天“泡”在实验室,不停地实验、检测

红外成像芯片是光传感技术的基础之一,被广泛应用于机器视觉、物质鉴别、生物成像等新兴领域。然而,受加工温度和单晶基板的限制,现有的红外成像芯片主要采用异质集成的方式实现红外光电二极管与硅基互联,面临工艺复杂、分辨率受限、大规模生产困难、成本高等问题。

“电子产品使用的硅基芯片主要工作于可见光波段,成像距离受环境限制,弱光下成像效果差,难以分辨同色的不同物体。可见光与短波红外融合,就能够有更好的成像体验,如图像细节完整,夜晚成像清晰,而且短波红外穿透雨雪雾霾的能力极强,在恶劣天气中还能进行障碍预警。”高亮先容,基于此,量子点红外探测器经过十几年的发展,其性能(探测波段、响应度、比探测率)已经接近传统材料器件的性能,拥有巨大的成本优势。他们团队正在做的,就是研发量子点短波红外成像芯片量产化技术,为光谷实验室技术孵化落地做出贡献。

研二学生张琳祥两年前加入这个团队,从此每天都“泡”在实验室。“大家要不间断地进行芯片工艺调试,探索适于自动化制备的最佳工艺窗口。”记者看到,在不同的实验室,团队成员分别进行量子点合成、液相配体交换、浆料配制等流程,然后通过喷墨旋涂,制备量子点薄膜。“薄膜是关键,再通过全低温一体化集成,制作成红外探测芯片。”张琳祥先容,他的工作就是通过不断测试芯片,找到一个更稳定、更合适的器件结构,即便在复杂的环境下,也能够保持器件性能。

团队有二十多人,结束暑期生活返校后,他们已经在实验室工作快一个星期了。“实验中大家碰到的失败数也数不清,就是在失败的基础上一点点摸索,一点点前进。”他们克服材料、结构、集成工艺等重重难题,从970纳米到1.3微米、1.55微米,再到目前的1.9微米,探测范围越来越广。

看着这些可喜的数据,张琳祥和同伴们很开心。“老师教导大家,研发过程中要沉下心,要有定力,把该做的工作做好。”


国内首款!硫化铅胶体量子点红外成像芯片研发成功

今年上半年,唐江教授团队与海思光电子有限企业合作,制备出一种适配硅基读出电路的顶入射结构的光电二极管,实现了30万像素、性能可媲美商用铟镓砷的短波红外芯片。这是国内首款硫化铅胶体量子点红外成像芯片,相关成果已发表在6月份的Nature Electronics期刊。


PbS CQD成像芯片。a) 成像芯片整体示意图;b) 成像芯片横截面示意图;c) 成像芯片的横截面扫描电镜图像;d) 成像芯片的俯视示意图;e) 单个像素的电路图;f) 电路的读出时序


据先容,红外光电二极管与硅基读出电路单片集成工艺简单、成本可控,且有望极大提升红外成像芯片分辨率。不同于高温外延生长的红外材料,硫化铅胶体量子点采用低温溶液法加工,衬底兼容性好,可与硅基集成电路单片集成。但现有相关器件结构存在不适配难题,其耗尽区远离入射光,导致器件外量子效率低。

唐江教授团队根据硫化铅胶体量子点的特性,设计出了适配硅基读出电路的顶入射结构光电二极管,通过模拟分析和实验优化器件结构,使耗尽区靠近入射光,实现光生载流子的有效分离与收集,从而提高器件外量子效率。

国内首款硫化铅胶体量子点红外成像芯片,具有可与商用铟镓砷芯片媲美的成像效果。同时,在水果检测、溶剂识别、静脉成像等方面,也具有广泛的应用潜力。

关键词:湖北光谷实验室 短波红外成像 芯片    浏览量:9323

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