摘要：北京理工大学光电学院联合中芯热成科技（北京）有限责任公司设计了一种垂直堆叠的具有优化带隙梯度的可见光硫化铅（PbS）、短波红外及中波红外碲化汞（HgTe）胶体量子点光电探测器架构，实现了从可见光到中波红外（0.4-5 μm）的超宽光谱响应，具有优异的灵敏度和探测性能。成功地制备了640×512像素规模的超宽光谱焦平面阵列成像芯片，实现了低至6%的响应非均匀性（PRNU）和低至34 mK的噪声等效温差（NETD）。超宽光谱PbS/HgTe胶体量子点成像实现了红、绿、蓝、短波红外、中波红外多光谱成像以及光谱自适应的宽光谱成像。相关成果以“Visible to mid-wave infrared PbS/HgTe colloidal quantum dot imagers”为题发表于Nature Photonics期刊（DOI：10.1038/s41566-024-01492-1）。该论文的第一作者为北京理工大学牟鸽助理教授、谭伊玫博士研究生、毕成博士研究生，论文通讯作者为唐鑫教授和郝群教授。该成果突破了原有块体半导体及量子点材料体系下探测波段受限的瓶颈难题，通过跨材料带隙叠层耦合芯片架构，实现了高分辨量子点成像芯片制备，为光谱探测及宽光谱成像提供了核心元器件支撑。
多光谱成像在环境监测、天文学、农业科学、生物成像、医学诊断和食品质量控制等方面均发挥着重要的作用。传统多光谱成像通过集成多个单波段成像仪实现，但是由于不同成像仪的光轴和图像分辨率不匹配，导致图像配准需要复杂的算法和光学组合，增加了成像系统的尺寸、成本和复杂性。宽光谱成像芯片可以提供一种低成本、高性能的颠覆性方法实现多光谱成像，极大地简化了光学系统。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学光电学院郝群教授、唐鑫教授团队开创地设计了一种超宽光谱可见光到中波红外成像芯片。如图1a所示，焦平面阵列具有640×512像素规模，每个像素由可见光PbS、短波红外HgTe、中波红外HgTe胶体量子点堆叠而成。超宽光谱成像仪的实物照片和扫描电子显微镜截面图如图1b所示。多种粒径和带隙的PbS和HgTe量子点被合成，其吸收光谱、带隙和吸收截止波长与量子点粒径的关系曲线如图1c和d所示。
a. 超宽光谱成像仪的结构示意图；b. 超宽光谱成像仪的实物照片（上图）和扫描电子显微镜截面图（下图）；c. 吸收波段从可见光到中波红外的PbS和HgTe量子点的Tauc图；d. PbS和HgTe量子点的带隙和吸收截止波长与量子点粒径的关系曲线；e. 超宽光谱光电探测器能带结构仿真图；f. 中波红外HgTe量子点探测器、中波短波红外HgTe量子点堆叠的探测器和中波短波红外HgTe量子点及可见光PbS量子点堆叠的探测器的响应光谱曲线。
为了最大化能带边缘差异引发的垂直电势，最优器件结构为1,2-乙二硫醇（EDT）/盐酸（HCl）处理的带隙为0.32 eV的中波红外HgTe量子点、氯化汞（HgCl₂）和EDT/ HCl处理的带隙为0.60 eV的短波红外HgTe量子点和四丁基碘化铵（TBAI）处理的带隙为1.61 eV的PbS量子点进行堆叠。通过有限元分析对其能带结构进行了仿真，如图1e所示。堆叠的量子点层的功函数不同引发光生空穴从顶部PbS量子点到底部中波红外HgTe量子点传输，光生电子向相反方向传输，阻止了不想要的载流子复合，实现了从可见光到中波红外超宽的光谱响应，如图1f所示。由于可见光PbS和短波红外HgTe量子点的能带边缘差异较大，有利于光生载流子在PbS/HgTe界面处分离和收集，因此，在短波红外HgTe量子点上面堆叠可见光PbS量子点，不仅使得可见光波段的光响应得到增强，也使短波红外波段的光响应得到了提升。
团队制备了像素规模为640×512、像素间距为15 μm的超宽光谱成像仪，表现出较低的暗电流，每个像素的暗电流约为5 × 10⁻¹¹ A（图2a）、响应电压为2.88 ± 0.06 V（图2b）和比探测率为3.15 × 10¹⁰ Jones（图2c）。此外，超宽光谱成像仪具有低至6%的PRNU，640×512个像素只有3个死像元和5个过热像元，如图2d所示。通过调控积分时间，超宽光谱成像仪的NETD也随之变化，在积分时间为10 ms时，NETD下降至34 mK（图2e），所有像素的平均NETD为34.72±10.88 mK（图2f）。使用中波红外滤光片，超宽光谱成像仪展现出了高质量的热成像，如图2g所示。人手在纸上停留约2 s，立刻离开后仍然可以清楚地捕捉到留在纸上的热量（图2h），进一步证明了超宽光谱成像仪具有优异的温度分辨灵敏度。此外，宽光谱成像芯片在可见光和短波红外波段范围内也展现了优异的成像质量，如图2i所示。
超宽光谱成像仪的a. 每个像素的暗电流的分布直方图和映射图，b. 每个像素的响应的分布直方图和映射图，c. 每个像素的比探测率的分布直方图和映射图；d. 超宽光谱成像仪的过热像元和死像元分布图；e. 超宽光谱成像仪的NETD与积分时间关系曲线；f. 超宽光谱成像仪的每个像素的NETD分布直方图；g和h. 使用中波红外滤光片的超宽光谱成像仪的热成像图；i. 超宽光谱成像仪和可见光/短波红外成像仪的成像结果比较。
超宽光谱成像仪具有多光谱成像模式和宽光谱成像模式，成像过程示意图如图3a所示。使用不同颜色的滤光片，红色、绿色、蓝色单色成像结果和重构全彩成像结果如图3b所示。使用短波红外滤光片后，不同的化学试剂表现出了不同的灰度变化，不透明的硅片也变得几乎透明。因此，无需复杂的后处理算法和光学排列，通过超宽光谱成像仪即可获得了高质量的多光谱成像。此外，超宽光谱成像仪也展现了高质量的宽光谱成像。在没有钨丝灯等外界光源的黑暗环境下，超宽光谱成像仪可获取场景热量信息，随着钨丝灯打开，无需重新调整镜头，超宽光谱成像仪同时展示出了短波和中波红外信息，随着钨丝灯关闭，短波红外信息也随之逐渐消退，如图3c所示。超宽光谱成像仪从80 K到140 K宽的工作温度下均可工作（图3d）。如图3e所示，在室外阳光下用超宽光谱成像仪成像，能清楚地展现出人的头发、太阳镜、衣服的质地、塑料纽扣、衣服上的汗渍、周围树木和栏杆的环境，具有从可见光到中波红外超宽的光谱信息。
a. 超宽光谱成像仪的成像示意图；b. 多光谱成像模式；c-e. 宽光谱成像模式。
综上所述，北京理工大学研究团队开发了一种PbS/HgTe量子点堆叠的器件架构，优化了梯度带隙能带结构，成功实现了从可见光到中波红外的超宽光谱响应，比探测率相较于单波段中波红外探测器高出一个数量级。超宽光谱探测器已成功地扩展到焦平面阵列规模，实现了像素规模为640
× 512，像素间距为15 μm，PRNU低至6%，NETD低至34 mK的优异性能。超宽光谱成像仪展现了高质量的多光谱成像，包含从可见光到中波红外宽光谱信息的宽光谱成像。
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01492-1
