原標(biāo)題：湖北光谷實(shí)驗(yàn)室唐江教授團(tuán)隊(duì)—— 潛心研制“中國(guó)造”短波紅外成像芯片

湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 方琳

編者按

省第十二次黨代會(huì)強(qiáng)調(diào)，“堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，加快建設(shè)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系”“打造全國(guó)科技創(chuàng)新高地”。明確提出，加強(qiáng)戰(zhàn)略科技力量培育，爭(zhēng)創(chuàng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室或在鄂基地，推進(jìn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化重組，高水平建設(shè)漢江實(shí)驗(yàn)室、光谷實(shí)驗(yàn)室和東湖實(shí)驗(yàn)室等湖北實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群。

去年2月至今，我省已有10家湖北實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)正式運(yùn)行，它們“組團(tuán)”發(fā)力，為推進(jìn)全省科技創(chuàng)新體系整體效能加裝“發(fā)動(dòng)機(jī)”，增強(qiáng)新動(dòng)能。一年多來(lái)，湖北實(shí)驗(yàn)室科研取得了哪些進(jìn)展？建設(shè)者們有哪些新探索？8月底開(kāi)始，湖北日?qǐng)?bào)全媒記者先后走進(jìn)部分湖北實(shí)驗(yàn)室，感受這里科研一線創(chuàng)新攻關(guān)的風(fēng)采。

“我們一直在做相關(guān)實(shí)驗(yàn)，不斷提高它的穩(wěn)定性，爭(zhēng)取早日產(chǎn)業(yè)化?！?月25日，湖北光谷實(shí)驗(yàn)室8樓，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心副教授高亮向湖北日?qǐng)?bào)全媒記者介紹，他所在的唐江教授團(tuán)隊(duì)目前研制的量子點(diǎn)短波紅外成像芯片進(jìn)展順利。

每天“泡”在實(shí)驗(yàn)室，不停地實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)

紅外成像芯片是光傳感技術(shù)的基礎(chǔ)之一，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)、物質(zhì)鑒別、生物成像等新興領(lǐng)域。然而，受加工溫度和單晶基板的限制，現(xiàn)有的紅外成像芯片主要采用異質(zhì)集成的方式實(shí)現(xiàn)紅外光電二極管與硅基互聯(lián)，面臨工藝復(fù)雜、分辨率受限、大規(guī)模生產(chǎn)困難、成本高等問(wèn)題。

“電子產(chǎn)品使用的硅基芯片主要工作于可見(jiàn)光波段，成像距離受環(huán)境限制，弱光下成像效果差，難以分辨同色的不同物體?？梢?jiàn)光與短波紅外融合，就能夠有更好的成像體驗(yàn)，如圖像細(xì)節(jié)完整，夜晚成像清晰，而且短波紅外穿透雨雪霧霾的能力極強(qiáng)，在惡劣天氣中還能進(jìn)行障礙預(yù)警?！备吡两榻B，基于此，量子點(diǎn)紅外探測(cè)器經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，其性能（探測(cè)波段、響應(yīng)度、比探測(cè)率）已經(jīng)接近傳統(tǒng)材料器件的性能，擁有巨大的成本優(yōu)勢(shì)。他們團(tuán)隊(duì)正在做的，就是研發(fā)量子點(diǎn)短波紅外成像芯片量產(chǎn)化技術(shù)，為光谷實(shí)驗(yàn)室技術(shù)孵化落地做出貢獻(xiàn)。

研二學(xué)生張琳祥兩年前加入這個(gè)團(tuán)隊(duì)，從此每天都“泡”在實(shí)驗(yàn)室?！拔覀円婚g斷地進(jìn)行芯片工藝調(diào)試，探索適于自動(dòng)化制備的最佳工藝窗口?！庇浾呖吹剑诓煌膶?shí)驗(yàn)室，團(tuán)隊(duì)成員分別進(jìn)行量子點(diǎn)合成、液相配體交換、漿料配制等流程，然后通過(guò)噴墨旋涂，制備量子點(diǎn)薄膜?！氨∧な顷P(guān)鍵，再通過(guò)全低溫一體化集成，制作成紅外探測(cè)芯片。”張琳祥介紹，他的工作就是通過(guò)不斷測(cè)試芯片，找到一個(gè)更穩(wěn)定、更合適的器件結(jié)構(gòu)，即便在復(fù)雜的環(huán)境下，也能夠保持器件性能。

團(tuán)隊(duì)有二十多人，結(jié)束暑期生活返校后，他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室工作快一個(gè)星期了?！皩?shí)驗(yàn)中我們碰到的失敗數(shù)也數(shù)不清，就是在失敗的基礎(chǔ)上一點(diǎn)點(diǎn)摸索，一點(diǎn)點(diǎn)前進(jìn)?！彼麄兛朔牧稀⒔Y(jié)構(gòu)、集成工藝等重重難題，從970納米到1.3微米、1.55微米，再到目前的1.9微米，探測(cè)范圍越來(lái)越廣。

看著這些可喜的數(shù)據(jù)，張琳祥和同伴們很開(kāi)心。“老師教導(dǎo)我們，研發(fā)過(guò)程中要沉下心，要有定力，把該做的工作做好。”

國(guó)內(nèi)首款！硫化鉛膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片研發(fā)成功

今年上半年，唐江教授團(tuán)隊(duì)與海思光電子有限公司合作，制備出一種適配硅基讀出電路的頂入射結(jié)構(gòu)的光電二極管，實(shí)現(xiàn)了30萬(wàn)像素、性能可媲美商用銦鎵砷的短波紅外芯片。這是國(guó)內(nèi)首款硫化鉛膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片，相關(guān)成果已發(fā)表在6月份的Nature Electronics期刊。

PbS CQD成像芯片。a) 成像芯片整體示意圖；b) 成像芯片橫截面示意圖；c) 成像芯片的橫截面掃描電鏡圖像；d) 成像芯片的俯視示意圖；e) 單個(gè)像素的電路圖；f) 電路的讀出時(shí)序

據(jù)介紹，紅外光電二極管與硅基讀出電路單片集成工藝簡(jiǎn)單、成本可控，且有望極大提升紅外成像芯片分辨率。不同于高溫外延生長(zhǎng)的紅外材料，硫化鉛膠體量子點(diǎn)采用低溫溶液法加工，襯底兼容性好，可與硅基集成電路單片集成。但現(xiàn)有相關(guān)器件結(jié)構(gòu)存在不適配難題，其耗盡區(qū)遠(yuǎn)離入射光，導(dǎo)致器件外量子效率低。

唐江教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)硫化鉛膠體量子點(diǎn)的特性，設(shè)計(jì)出了適配硅基讀出電路的頂入射結(jié)構(gòu)光電二極管，通過(guò)模擬分析和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，使耗盡區(qū)靠近入射光，實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離與收集，從而提高器件外量子效率。

國(guó)內(nèi)首款硫化鉛膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片，具有可與商用銦鎵砷芯片媲美的成像效果。同時(shí)，在水果檢測(cè)、溶劑識(shí)別、靜脈成像等方面，也具有廣泛的應(yīng)用潛力。

高亮說(shuō)，“目前，高端短波紅外成像芯片國(guó)外禁運(yùn)，銦鎵砷芯片正處于卡脖子現(xiàn)狀。我們想早日做好中國(guó)人自己的量子點(diǎn)短波紅外成像芯片，助力科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)?！?

記者了解到，光谷實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行一年多來(lái)，聚焦光電子技術(shù)與裝備，爭(zhēng)創(chuàng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，瞄準(zhǔn)未來(lái)智能時(shí)代的高端芯片、光電融合、異質(zhì)異構(gòu)集成、“感—存—算—通—?jiǎng)印堋币惑w化復(fù)雜巨系統(tǒng)等前沿科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展長(zhǎng)期穩(wěn)定的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，圍繞通信、傳感、物聯(lián)網(wǎng)、高端制造等重點(diǎn)行業(yè)發(fā)展的卡脖子難點(diǎn)問(wèn)題，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)率先突破和國(guó)際引領(lǐng)，助推“武漢·中國(guó)光谷”走向“世界光谷”，成為國(guó)家在光電子領(lǐng)域的戰(zhàn)略科技力量。