應(yīng)用展示
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近紅外（NIR）短波紅外（SWIR）圖像傳感器
900 – 2500 nm 范圍內(nèi)的近紅外 (NIR) 或短波紅外 (SWIR) 傳感在機器視覺（用于食品和商品質(zhì)量檢測和控制、塑料分類）、汽車應(yīng)用（用于 3D 航空和地理測繪、夜間和惡劣天氣條件（霧/霧/雪）的高級駕駛員輔助系統(tǒng)）、智能手機攝像頭（用于生物識別和 3D 攝影）、AR 和 VR 耳機（用于眼睛跟蹤）、夜視和監(jiān)視。目前基于混合 InGaAs 技術(shù)的相機生產(chǎn)成本高，價格也高（超過 10,000 美元）。它們還具有較窄的靈敏度范圍（高達 1700 nm）和有限的相機分辨率（<1.36 MP）。
圖 1.帶有石頭污染物的咖啡豆的 照片：（左）使用可見光相機拍攝的照片，（右）使用 NIR 相機拍攝的照片，咖啡豆（白點）和石頭（黑點）之間存在明顯差異
PbS量子點可以單片集成到硅 CMOS 讀出集成電路 (ROIC) 上，使其成為理想的解決方案。它們的成本效益是 InGaAs 相機的 10-1000 倍，因此更經(jīng)濟，可用于生產(chǎn)具有寬帶靈敏度（300-2500 nm）的高分辨率（高達 10 MP）圖像傳感器。
當(dāng)用于 NIR (SWIR) 傳感器時，PbS量子點可以產(chǎn)生以下優(yōu)勢：
它們可以通過印刷/旋涂制造工藝輕松集成到硅 CMOS ROIC 中。這可以實現(xiàn)高分辨率和低成本。
它們在可見光和 NIR (SWIR) 范圍內(nèi)具有廣泛的靈敏度，從 300 nm 到 2500 nm（可根據(jù)量子點粒徑進行調(diào)節(jié)）
它們具有卓越的光電特性，具有高器件 EQE 和探測率，以及低暗電流。
SWIR圖像傳感器技術(shù)比較
下表說明了量子點 SWIR (NIR) 傳感器技術(shù)與傳統(tǒng)和其他新興 SWIR 技術(shù)的比較。選擇這些屬性是因為它們在典型的 SWIR 圖像傳感器相機中的重要性。
硅CMOS是目前相機中廣泛應(yīng)用的一種傳感器技術(shù)。硅 CMOS 傳感器在可見光范圍內(nèi)提供高性能和高效率，EQE 高達 80%，暗電流極低 < 1 nA/cm2，分辨率超過 2-10 MP，典型像素尺寸為 1-3 μm。然而，其靈敏度在 SWIR 范圍內(nèi)（超過 800 nm）顯著下降。使用 36-50% 的 EQE 可以將靈敏度范圍擴展到 940 nm，但由于硅的固有特性在 1100 nm 處具有完全吸收截止，因此向更長的 SWIR 波段進一步擴展靈敏度是有限的。
有一些技術(shù)可以實現(xiàn) SWIR 傳感。其中最著名的是在 400 – 1700 nm 范圍內(nèi)工作的 InGaAs 混合 CMOS 技術(shù)。該傳感器由外延生長的 InGaAs 層陣列組成。InGaAs 陣列的每個像素通過焊接凸點鍵合與來自硅 CMOS 讀出集成電路 (ROIC) 基板的相應(yīng)像素相連。盡管傳感器在高 EQE > 75% 和低暗電流 < 10 nA/cm2 方面具有令人印象深刻的特性，但復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)和制造導(dǎo)致可擴展性低、成本高（超過 10,000 美元）和分辨率有限（小于具有典型像素間距的 1 MP 分辨率約為 15-20 μm）。最近在將像素間距縮小到 5 μm（分辨率 1.37 MP）方面取得了進展，這種相機的價格上漲得更多。這些限制根本不允許大規(guī)模生產(chǎn) SWIR 傳感器，因此阻礙了它們的大規(guī)模采用。
在尋找可負(fù)擔(dān)得起的替代解決方案時，SWIR 傳感器技術(shù)朝著制造單片集成硅 CMOS 的方向發(fā)展。已經(jīng)出現(xiàn)的一種替代方案是等離子技術(shù)。它包括在硅基板上沉積一層薄薄的金屬，例如鋁。由于金屬-硅界面中的等離子體效應(yīng)，SWIR 光會產(chǎn)生光電流。然而，等離子體技術(shù)在低 EQE（低于 1-2%）和高暗電流方面表現(xiàn)較差。另一種技術(shù)是硅基鍺。它涉及在硅頂部沉積 Ge，從而能夠檢測 400 至 1550 nm 的光。但由于硅和鍺之間的界面不均勻，它會導(dǎo)致更高的暗電流。
最有前途的單片技術(shù)之一是基于量子點，與上述技術(shù)相比，它具有令人印象深刻的優(yōu)勢。量子點是具有獨特光電特性的半導(dǎo)體材料納米粒子。PbS 量子點可以分散在各種溶劑中，并簡單地印刷在硅 CMOS 讀出器上，形成量子點堆棧?；诹孔狱c的 SWIR 傳感器表現(xiàn)出高達 60% 的高 EQE，低暗電流 < 10-100 nA/cm2，像素間距低于 2 μm（分辨率超過 10 MP）。該技術(shù)的獨特之處之一是只需改變量子點的大小，即可在 350 nm 至 2500 nm 的寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)傳感器靈敏度。量子點技術(shù)有望大幅降低 SWIR 傳感器和相機的成本（例如，與 InGaAs 傳感器相比降低 100-1000 倍），并且有可能降低傳統(tǒng)硅 CMOS 傳感器的成本。量子點技術(shù)能夠使 SWIR 傳感器價格適中，從而使 SWIR 行業(yè)在機器視覺、汽車和消費電子領(lǐng)域得到大規(guī)模采用。
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