在服務機器人、汽車和消費電子等需要大批量機器視覺傳感的應用中，人眼無法看見的短波紅外（SWIR）光可以實現前所未有的可靠性、功能和性能。短波紅外圖像傳感器可以在強光、霧、霾以及煙霧等惡劣條件下可靠地工作。此外，短波紅外波段不僅提供了符合人眼安全的光源，而且開辟了利用分子成像檢測材料特性的可能性。

基于膠體量子點（CQD）的光電探測技術為在短波紅外波段實現大批量兼容圖像傳感器提供了一個前途光明的技術平臺。膠體量子點是納米半導體晶體，也是一種溶液處理的材料平臺，可以與CMOS技術集成并實現短波紅外波段傳感與成像。然而，將短波紅外量子點應用于大眾市場存在一個基本障礙，就是因為它們通常含有鉛或汞等重金屬。而這些重金屬材料受到歐盟強制性標準《RoHS指令》的監管，限制了其在商業消費電子領域中的大量使用。

據麥姆斯咨詢報道，近日，在西班牙巴塞羅那光子科學研究所（ICFO）的Gerasimos Konstantatos教授的帶領下，由ICFO與西班牙Qurv Technologies公司組成的研究團隊在Nature Photonics期刊上發表了以“Silver telluride colloidal quantum dot infrared photodetectors and image sensors”為主題的論文。該論文報道了室溫工作的基于無毒膠體量子點的高性能紅外光電探測器和短波紅外圖像傳感器的開發。該研究描述了一種合成尺寸可調諧、無磷化氫的碲化銀（Ag?Te）量子點的新方法，這種方法保留了傳統含重金屬量子點的優勢特性，為在量產市場中引入短波紅外膠體量子點技術鋪平了道路。

在研究如何通過合成碲化銀鉍（AgBiTe?）納米晶體來擴大AsBiS?的光譜覆蓋范圍，從而提高光伏器件性能時，研究人員獲得了副產物Ag?Te。這種材料表現出類似于量子點的強大且可調諧的量子限制吸收。研究人員意識到了Ag?Te在短波紅外光電探測器及圖像傳感器中的應用潛力，并致力于實現和控制一種合成無磷化氫的Ag?Te量子點的新工藝，這是因為磷化氫對與光電探測相關的量子點特性有著不利影響。

圖1 尺寸可調諧的Ag?Te量子點

在這項研究的新合成方法中，研究人員使用了不同的無磷化氫配合物（如碲和銀前體），這使其獲得了良好控制的尺寸分布的量子點，并且在非常寬的光譜范圍內產生了激子峰。經過制備和表征，新合成的量子點表現出了卓越的性能，在大于1500 nm時具有明顯的激子峰。與以往基于磷化氫的量子點制備技術相比，該方法合成的量子點達到了前所未有的成就。

隨后，研究人員將所獲得的無磷化氫量子點用于在通用標準氧化銦錫（ITO）涂層玻璃襯底上制備簡單的實驗室級光電探測器，并對該器件進行了表征和性能測量。ICFO博士后研究員、本論文第一作者Yongjie Wang表示：“這些實驗室級器件是通過底部的照射光來運行的。但對于CMOS集成的膠體量子點堆疊來說卻是相反的，光來自頂部，器件的底部由CMOS電子器件占據。因此，我們必須克服的第一個挑戰是重新設計器件。這個過程理論上聽起來很簡單，但在現實中是一項具有挑戰性的任務。”

圖2 Ag?Te量子點短波紅外光電二極管

最初，光電二極管在短波紅外傳感方面性能表現不佳，促使研究人員重新設計并加入了緩沖層。這一調整顯著增強了Ag?Te量子點光電探測器的性能，使其光譜范圍達到350 nm-1600 nm，線性動態范圍超過118 dB，-3dB帶寬超過110 kHz，室溫探測率可達1012 Jones量級。

圖3 Ag?Te量子點光電二極管的性能

本論文通訊作者、ICFO的Gerasimos Konstantatos表示：“據我們所知，本項研究報道的光電二極管首次實現了溶液處理合成無毒的短波紅外光電二極管，該器件性能可與其它含重金屬的量子點器件性能相媲美。同時這些結果進一步證明，Ag?Te量子點作為一種符合RoHS標準的前途光明的材料，適合于低成本、高性能的短波紅外光電探測器應用。”

隨著這種不含重金屬的量子點光電探測器的成功開發，研究人員進一步與ICFO孵化公司Qurv Technologies合作，通過構建短波紅外圖像傳感器的研究案例來展示其潛力。該研究團隊將新型光電二極管與基于CMOS讀出集成電路（ROIC）焦平面陣列（FPA）相集成，首次展示了在概念驗證階段的無毒且室溫工作的基于膠體量子點的短波紅外圖像傳感器。研究人員通過拍攝目標物體來測試該成像儀在短波紅外波段的探測效果。特別是，該傳感器能夠在短波紅外波段透過硅晶圓進行成像，以及對在可見光波段不透明塑料瓶中的內容物進行可視化成像。

圖4 Ag?Te量子點光電探測器和成像

Gerasimos Konstantatos認為：“使用低成本消費電子產品實現短波紅外探測，將釋放該光譜范圍的巨大應用潛力，例如改善汽車工業的視覺系統，實現在惡劣天氣條件下的視覺和駕駛。短波紅外波段約為1.35 μm -1.40 μm，可以提供全天候免受背景光干擾且符合人眼安全的窗口，從而進一步實現遠程激光雷達（LiDAR），以及用于汽車、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）的3D成像。”

目前，研究人員希望通過設計構成光電探測器的層堆疊來提高光電二極管的性能。同時，他們還希望為Ag?Te量子點探索新的表面化學物質，從而改善材料的性能以及在推向市場過程中材料的熱穩定性和環境穩定性。

審核編輯：劉清