量子點增強硅基探測成像器件的研究進展
發(fā)布時間：2021-02-10 08:52
硅基探測成像器件具有可靠性高、易集成和成本低等優(yōu)點,是目前應用最廣泛的探測成像器件。隨著人工智能和無人駕駛等技術的日益發(fā)展,對探測成像器件提出了更高的要求,而硅基探測成像器件性能的提升成為重要的研究方向。量子點具有吸收系數(shù)大、光譜可調(diào)、發(fā)光效率高和易集成等優(yōu)點,是一類優(yōu)異的光譜轉換和光調(diào)制材料。利用量子點材料可調(diào)制的光學特性,可以對硅基探測成像器件的功能進行拓展,從而實現(xiàn)紫外響應增強、紅外響應拓展、紫外偏振探測和多光譜成像等功能。經(jīng)過多年的研究,這一領域已經(jīng)取得了一定的進展,部分技術展現(xiàn)出較好的應用前景。本文介紹了量子點增強硅基探測器在紫外探測、紅外成像、偏振探測和多光譜成像方面的研究進展,希望能夠引起國內(nèi)學術界和工業(yè)界的關注和重視。
【文章來源】：中國光學. 2020,13(01)北大核心
【文章頁數(shù)】：13 頁
【部分圖文】：
CH3NH3PbBr3量子點增強EMCCD[27]
2016年,美國InVisage公司報導了通過使用量子點膜和CMOS結合的方式實現(xiàn)紅外探測。該紅外探測器在不使用機械快門的條件下具有較高的外量子效率和靈敏度。探測器兩個像素區(qū)域的切面在940 nm光源下的模擬光場示意圖如圖5(a)所示,量子點膜堆疊在CMOS晶圓上方,作為光活性層使用。通過改變量子點材料的帶隙,可實現(xiàn)對任意紅外波段的響應。在940 nm處,量子點材料的吸收系數(shù)比硅材料大58倍,因此可以使用更薄的量子點膜,從而達到降低串擾的效果。從圖5(a)所示的光場強度分布可以看出,兩個相鄰像素之間不存在串擾現(xiàn)象。通過控制不同量子點垂直接觸電極偏壓的方式,控制量子點膜的光開關,從而在不使用機械快門的情況下即可實現(xiàn)全局快門操作,有利于降低系統(tǒng)的復雜性,減小探測器的體積。對于需要使用機械快門實現(xiàn)全局掃描的硅基探測器來說,像素的大小至少為3 μm,相比之下,基于量子點膜的探測器可以在像素大小為1.1 μm的情況下實現(xiàn)全局快門操作,較小尺寸的像素有利于探測器分辨率的提高。由于量子點材料獨特的優(yōu)勢,使得量子點增強硅基探測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42%。圖5(b)是在940 nm光源下,使用普通硅基探測器(左)和量子點膜增強硅基探測器(右)的成像效果對比圖。由圖可知,量子點膜增強硅基探測器具有更清晰的成像,圖片中眼鏡后面的物體也清晰可見,使其有望應用于虹膜和人臉識別中。4.3 紫外偏振探測
偏振作為光的基本特性之一,在液晶顯示[52]和探測[53]等方面有著廣泛應用。Tyo等人[54]針對偏振探測和強度探測進行了對比,發(fā)現(xiàn)在自然背景中,相較于強度探測,紅外偏振探測可以更容易發(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,偏振探測在分辨人造物體方面有著明顯的優(yōu)勢。目前,偏振探測的主要解決方案為“偏振片+探測器”。按照偏振片類型,其可分為旋轉偏振片型、分振幅型和分焦平面型等。其中旋轉偏振片型通過結合偏振片和成像系統(tǒng)的方式獲得偏振圖像,屬于時序型的工作方式,但由于其采用轉動的偏振片作為部件,使其只適合于靜對靜的觀測。隨著微納加工技術的發(fā)展,出現(xiàn)了分焦平面型的偏振探測器,其原理為在探測器探測面陣的每個像元前加入微型偏振片,從而有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化。此外,圓偏振片的加入有望在將來實現(xiàn)全偏振成像。雖然該領域已經(jīng)取得了一定進展,但是仍會存在制備工藝復雜和偏振片與像元的匹配等問題,目前大多處于探索階段。如前所述,由于硅基探測器在紫外波段的響應度較低,加之紫外波段光學元件制備困難,目前針對紫外偏振探測的研究仍處于起步階段[55-56]。利用納米棒的偏振響應特性,本課題組將CdSe@CdS納米棒在聚合物薄膜中通過拉伸的方式進行定向,并將其與EMCCD結合,實現(xiàn)了紫外偏振探測。圖6(a)是器件的結構示意圖,當紫外光照射到器件上時,薄膜將紫外光轉換為可見光,從而增強硅基器件的紫外響應。在光下轉換的過程中,偏振方向平行于納米棒排列方向的光的強度得以保持。而偏振方向垂直于納米棒排列方向的光的強度將被削弱,從而獲取入射光的信息。利用該光學系統(tǒng),不僅實現(xiàn)了探測器對紫外光的響應(圖6(b)),同時也成功實現(xiàn)了23%的光電流強度差(圖6(c)),結合一些圖像處理算法,有望獲取紫外偏振增強圖像[57]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]天基紫外預警技術發(fā)展現(xiàn)狀及思考[J]. 周峰,鄭國憲,閆鋒,李想,吳立民. 航天返回與遙感. 2012(06)
[2]增強光電圖像傳感器紫外探測薄膜的制備[J]. 劉猛,張大偉,謝品,倪爭技,黃元申. 儀表技術與傳感器. 2009(09)
碩士論文
[1]超級像素CMOS圖像傳感器技術研究[D]. 王俊.中國科學院研究生院（上海技術物理研究所） 2014
本文編號：3027114
【文章來源】：中國光學. 2020,13(01)北大核心
【文章頁數(shù)】：13 頁
【部分圖文】：
CH3NH3PbBr3量子點增強EMCCD[27]
2016年,美國InVisage公司報導了通過使用量子點膜和CMOS結合的方式實現(xiàn)紅外探測。該紅外探測器在不使用機械快門的條件下具有較高的外量子效率和靈敏度。探測器兩個像素區(qū)域的切面在940 nm光源下的模擬光場示意圖如圖5(a)所示,量子點膜堆疊在CMOS晶圓上方,作為光活性層使用。通過改變量子點材料的帶隙,可實現(xiàn)對任意紅外波段的響應。在940 nm處,量子點材料的吸收系數(shù)比硅材料大58倍,因此可以使用更薄的量子點膜,從而達到降低串擾的效果。從圖5(a)所示的光場強度分布可以看出,兩個相鄰像素之間不存在串擾現(xiàn)象。通過控制不同量子點垂直接觸電極偏壓的方式,控制量子點膜的光開關,從而在不使用機械快門的情況下即可實現(xiàn)全局快門操作,有利于降低系統(tǒng)的復雜性,減小探測器的體積。對于需要使用機械快門實現(xiàn)全局掃描的硅基探測器來說,像素的大小至少為3 μm,相比之下,基于量子點膜的探測器可以在像素大小為1.1 μm的情況下實現(xiàn)全局快門操作,較小尺寸的像素有利于探測器分辨率的提高。由于量子點材料獨特的優(yōu)勢,使得量子點增強硅基探測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42%。圖5(b)是在940 nm光源下,使用普通硅基探測器(左)和量子點膜增強硅基探測器(右)的成像效果對比圖。由圖可知,量子點膜增強硅基探測器具有更清晰的成像,圖片中眼鏡后面的物體也清晰可見,使其有望應用于虹膜和人臉識別中。4.3 紫外偏振探測
偏振作為光的基本特性之一,在液晶顯示[52]和探測[53]等方面有著廣泛應用。Tyo等人[54]針對偏振探測和強度探測進行了對比,發(fā)現(xiàn)在自然背景中,相較于強度探測,紅外偏振探測可以更容易發(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,偏振探測在分辨人造物體方面有著明顯的優(yōu)勢。目前,偏振探測的主要解決方案為“偏振片+探測器”。按照偏振片類型,其可分為旋轉偏振片型、分振幅型和分焦平面型等。其中旋轉偏振片型通過結合偏振片和成像系統(tǒng)的方式獲得偏振圖像,屬于時序型的工作方式,但由于其采用轉動的偏振片作為部件,使其只適合于靜對靜的觀測。隨著微納加工技術的發(fā)展,出現(xiàn)了分焦平面型的偏振探測器,其原理為在探測器探測面陣的每個像元前加入微型偏振片,從而有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化。此外,圓偏振片的加入有望在將來實現(xiàn)全偏振成像。雖然該領域已經(jīng)取得了一定進展,但是仍會存在制備工藝復雜和偏振片與像元的匹配等問題,目前大多處于探索階段。如前所述,由于硅基探測器在紫外波段的響應度較低,加之紫外波段光學元件制備困難,目前針對紫外偏振探測的研究仍處于起步階段[55-56]。利用納米棒的偏振響應特性,本課題組將CdSe@CdS納米棒在聚合物薄膜中通過拉伸的方式進行定向,并將其與EMCCD結合,實現(xiàn)了紫外偏振探測。圖6(a)是器件的結構示意圖,當紫外光照射到器件上時,薄膜將紫外光轉換為可見光,從而增強硅基器件的紫外響應。在光下轉換的過程中,偏振方向平行于納米棒排列方向的光的強度得以保持。而偏振方向垂直于納米棒排列方向的光的強度將被削弱,從而獲取入射光的信息。利用該光學系統(tǒng),不僅實現(xiàn)了探測器對紫外光的響應(圖6(b)),同時也成功實現(xiàn)了23%的光電流強度差(圖6(c)),結合一些圖像處理算法,有望獲取紫外偏振增強圖像[57]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]天基紫外預警技術發(fā)展現(xiàn)狀及思考[J]. 周峰,鄭國憲,閆鋒,李想,吳立民. 航天返回與遙感. 2012(06)
[2]增強光電圖像傳感器紫外探測薄膜的制備[J]. 劉猛,張大偉,謝品,倪爭技,黃元申. 儀表技術與傳感器. 2009(09)
碩士論文
[1]超級像素CMOS圖像傳感器技術研究[D]. 王俊.中國科學院研究生院（上海技術物理研究所） 2014
本文編號：3027114
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