硅基探測(cè)成像器件具有可靠性高、易集成和成本低等優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用最廣泛的探測(cè)成像器件。隨著人工智能和無(wú)人駕駛等技術(shù)的日益發(fā)展,對(duì)探測(cè)成像器件提出了更高的要求,而硅基探測(cè)成像器件性能的提升成為重要的研究方向。量子點(diǎn)具有吸收系數(shù)大、光譜可調(diào)、發(fā)光效率高和易集成等優(yōu)點(diǎn),是一類優(yōu)異的光譜轉(zhuǎn)換和光調(diào)制材料。利用量子點(diǎn)材料可調(diào)制的光學(xué)特性,可以對(duì)硅基探測(cè)成像器件的功能進(jìn)行拓展,從而實(shí)現(xiàn)紫外響應(yīng)增強(qiáng)、紅外響應(yīng)拓展、紫外偏振探測(cè)和多光譜成像等功能。經(jīng)過(guò)多年的研究,這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,部分技術(shù)展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。本文介紹了量子點(diǎn)增強(qiáng)硅基探測(cè)器在紫外探測(cè)、紅外成像、偏振探測(cè)和多光譜成像方面的研究進(jìn)展,希望能夠引起國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注和重視。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)光學(xué). 2020,13(01)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：13 頁(yè)

【部分圖文】：

CH3NH3PbBr3量子點(diǎn)增強(qiáng)EMCCD[27]

2016年,美國(guó)InVisage公司報(bào)導(dǎo)了通過(guò)使用量子點(diǎn)膜和CMOS結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)。該紅外探測(cè)器在不使用機(jī)械快門的條件下具有較高的外量子效率和靈敏度。探測(cè)器兩個(gè)像素區(qū)域的切面在940 nm光源下的模擬光場(chǎng)示意圖如圖5(a)所示,量子點(diǎn)膜堆疊在CMOS晶圓上方,作為光活性層使用。通過(guò)改變量子點(diǎn)材料的帶隙,可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意紅外波段的響應(yīng)。在940 nm處,量子點(diǎn)材料的吸收系數(shù)比硅材料大58倍,因此可以使用更薄的量子點(diǎn)膜,從而達(dá)到降低串?dāng)_的效果。從圖5(a)所示的光場(chǎng)強(qiáng)度分布可以看出,兩個(gè)相鄰像素之間不存在串?dāng)_現(xiàn)象。通過(guò)控制不同量子點(diǎn)垂直接觸電極偏壓的方式,控制量子點(diǎn)膜的光開(kāi)關(guān),從而在不使用機(jī)械快門的情況下即可實(shí)現(xiàn)全局快門操作,有利于降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,減小探測(cè)器的體積。對(duì)于需要使用機(jī)械快門實(shí)現(xiàn)全局掃描的硅基探測(cè)器來(lái)說(shuō),像素的大小至少為3 μm,相比之下,基于量子點(diǎn)膜的探測(cè)器可以在像素大小為1.1 μm的情況下實(shí)現(xiàn)全局快門操作,較小尺寸的像素有利于探測(cè)器分辨率的提高。由于量子點(diǎn)材料獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),使得量子點(diǎn)增強(qiáng)硅基探測(cè)器的外量子效率得到明顯提高,在940 nm處的外量子效率高達(dá)42%。圖5(b)是在940 nm光源下,使用普通硅基探測(cè)器(左)和量子點(diǎn)膜增強(qiáng)硅基探測(cè)器(右)的成像效果對(duì)比圖。由圖可知,量子點(diǎn)膜增強(qiáng)硅基探測(cè)器具有更清晰的成像,圖片中眼鏡后面的物體也清晰可見(jiàn),使其有望應(yīng)用于虹膜和人臉識(shí)別中。4.3 紫外偏振探測(cè)

偏振作為光的基本特性之一,在液晶顯示[52]和探測(cè)[53]等方面有著廣泛應(yīng)用。Tyo等人[54]針對(duì)偏振探測(cè)和強(qiáng)度探測(cè)進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在自然背景中,相較于強(qiáng)度探測(cè),紅外偏振探測(cè)可以更容易發(fā)現(xiàn)偽裝中的卡車等人造物體,即在漫反射的自然背景中,偏振探測(cè)在分辨人造物體方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。目前,偏振探測(cè)的主要解決方案為“偏振片+探測(cè)器”。按照偏振片類型,其可分為旋轉(zhuǎn)偏振片型、分振幅型和分焦平面型等。其中旋轉(zhuǎn)偏振片型通過(guò)結(jié)合偏振片和成像系統(tǒng)的方式獲得偏振圖像,屬于時(shí)序型的工作方式,但由于其采用轉(zhuǎn)動(dòng)的偏振片作為部件,使其只適合于靜對(duì)靜的觀測(cè)。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了分焦平面型的偏振探測(cè)器,其原理為在探測(cè)器探測(cè)面陣的每個(gè)像元前加入微型偏振片,從而有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化。此外,圓偏振片的加入有望在將來(lái)實(shí)現(xiàn)全偏振成像。雖然該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定進(jìn)展,但是仍會(huì)存在制備工藝復(fù)雜和偏振片與像元的匹配等問(wèn)題,目前大多處于探索階段。如前所述,由于硅基探測(cè)器在紫外波段的響應(yīng)度較低,加之紫外波段光學(xué)元件制備困難,目前針對(duì)紫外偏振探測(cè)的研究仍處于起步階段[55-56]。利用納米棒的偏振響應(yīng)特性,本課題組將CdSe@CdS納米棒在聚合物薄膜中通過(guò)拉伸的方式進(jìn)行定向,并將其與EMCCD結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了紫外偏振探測(cè)。圖6(a)是器件的結(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)紫外光照射到器件上時(shí),薄膜將紫外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光,從而增強(qiáng)硅基器件的紫外響應(yīng)。在光下轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,偏振方向平行于納米棒排列方向的光的強(qiáng)度得以保持。而偏振方向垂直于納米棒排列方向的光的強(qiáng)度將被削弱,從而獲取入射光的信息。利用該光學(xué)系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器對(duì)紫外光的響應(yīng)(圖6(b)),同時(shí)也成功實(shí)現(xiàn)了23%的光電流強(qiáng)度差(圖6(c)),結(jié)合一些圖像處理算法,有望獲取紫外偏振增強(qiáng)圖像[57]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]天基紫外預(yù)警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及思考[J]. 周峰,鄭國(guó)憲,閆鋒,李想,吳立民.  航天返回與遙感. 2012(06)
[2]增強(qiáng)光電圖像傳感器紫外探測(cè)薄膜的制備[J]. 劉猛,張大偉,謝品,倪爭(zhēng)技,黃元申.  儀表技術(shù)與傳感器. 2009(09)

碩士論文
[1]超級(jí)像素CMOS圖像傳感器技術(shù)研究[D]. 王俊.中國(guó)科學(xué)院研究生院（上海技術(shù)物理研究所） 2014



本文編號(hào)：3027114