碲化银胶体量子点红外光电探测器和图像传感器

短波红外 (SWIR) 光是肉眼无法看到的，它可以在服务机器人、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在强光、雾、霾和烟雾等不利条件下可靠运行。此外，SWIR 系列还提供了对眼睛安全的照明光源，为通过分子成像检测材料特性提供了可能。基于胶体量子点（CQD）的图像传感器技术提供了一个前景广阔的技术平台，可实现大批量兼容的SWIR图像传感器。

CQDs，一种纳米半导体晶体，可与 CMOS 集成，并可进入 SWIR 范围。然而，要将对 SWIR 敏感的量子点转化为大规模市场应用的关键使能技术，还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、Hg-chalcogenide semiconductors）。这些材料受RoHS的管制，该指令对这些材料在商业消费电子应用中的使用进行了规定。

在发表于《Nature Photonics》的一项研究中，ICFO 研究人员Yongjie Wang、Lucheng Peng 和 Aditya Malla 在 ICFO 的 ICREA 教授 Gerasimos Konstantatos 的领导下，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探测器和室温下工作的 SWIR 图像传感器的开发情况。

顶部发光的 Ag2Te QD 光电探测器和成像仪。《Nature Photonics》(2024)。

该研究介绍了一种合成尺寸可调、无磷化氢的碲化银（Ag2Te）量子点的新方法，同时保留了传统重金属量子点的优势特性，为将 SWIR 胶体量子点技术引入大批量市场铺平了道路。

在研究如何合成碲化铋银（AgBiTe2）纳米晶体以扩大 AsBiS2 技术的光谱覆盖范围从而提高光伏设备性能时，研究人员获得了副产品碲化银（Ag2Te）。这种材料显示出与量子点类似的强且可调的量子约束吸收。他们意识到这种材料在SWIR探测器和图像传感器方面的潜力，并转而努力实现和控制一种新工艺，以合成不含磷化氢的碲化银量子点，因为磷化氢会对量子点与光电检测相关的光电特性产生不利影响。

在新的合成方法中，研究小组使用了不同的无膦复合物，从而获得了尺寸分布良好的量子点，并在非常宽的光谱范围内获得了激子峰。在对其进行制造和表征后，新合成的量子点表现出卓越的性能，其激子峰超过 1,500 nm--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。

随后，研究人员决定利用所获得的无膦量子点，在普通标准的ITO玻璃基底上制造一个简单的实验室规模的光电探测器，以表征器件的特性并测量其性能。ICFO博士后研究员、本研究第一作者Yongjie Wang说：这些实验室规模的器件是从底部照射光线运行的。对于CMOS集成CQD堆栈来说，光来自顶部，而器件的底部则由CMOS电子器件占据。因此，我们必须克服的第一个挑战就是重新设置器件。这个过程在理论上听起来很简单，但在现实中却被证明是一项具有挑战性的任务。

最初，该光电二极管在感应 SWIR 方面表现出较低的性能，因此需要重新设计，加入缓冲层。这一调整大大提高了光电二极管的性能，使其光谱范围从 350 nm到 1600 nm，线性动态范围超过 118 dB，-3dB 带宽超过 110 kHz，室温探测率达到 1012 Jones。ICFO 的 ICREA 教授、该研究的主要作者 Gerasimos Konstantatos 表示：据我们所知，这里报告的光电二极管首次实现了溶液加工、无毒的短波红外光电二极管，其性能指标与其他含重金属的同类产品相当。这些结果进一步证明，Ag2Te 量子点作为一种符合 RoHS 标准的材料，在低成本、高性能的 SWIR 光电探测器应用中大有可为。

随着这种无重金属量子点光电探测器的成功开发，研究人员更进一步，与 ICFO 的衍生公司 Qurv 合作，通过构建一个SWIR图像传感器作为案例研究，展示了这种光电探测器的潜力。该团队将新型光电二极管与基于 CMOS 的读出集成电路（ROIC）焦平面阵列（FPA）集成在一起，首次展示了概念验证、无毒、室温工作的基于 SWIR 量子点的图像传感器。

研究报告的作者对该成像仪进行了测试，通过拍摄几张目标物体的照片证明了它在SWIR下的工作能力。特别是，他们能够在SWIR下拍摄硅晶圆的透射图像，还能看到在可见光范围内不透明的塑料瓶的内容物。

Gerasimos Konstantatos 表示：为消费电子产品提供低成本的 SWIR 技术将释放这一光谱范围的潜力，其应用范围非常广泛，包括改进汽车行业的视觉系统，实现恶劣天气条件下的视觉和驾驶。1.35-1.40 µm 左右的 SWIR 波段可以提供一个安全的护眼窗口，在白天/黑夜条件下不受背景光的影响，从而进一步实现远距离光探测和测距（LiDAR）、汽车三维成像、增强现实和虚拟现实应用。

现在，研究人员希望通过对构成光电探测器器件的层堆进行工程设计来提高光电二极管的性能。他们还希望为 Ag2Te 量子点探索新的表面化学成分，以提高这种材料的性能和热稳定性及环境稳定性，并将其推向市场。

参考论文：Yongjie Wang等人，《Silver telluride colloidal quantum dot infrared photodetectors and image sensors》，《Nature Photonics》（2024）。