湖北光谷實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)近日研發(fā)出一款具備短波紅外成像能力的膠體量子點(diǎn)成像芯片。這款芯片面陣規(guī)模達(dá)到30萬，盲元率低于6‰，波長范圍在0.4-1.7微米之間，暗電流密度小于50nA/cm2，外量子效率超過60%，性能優(yōu)越。

該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于其圖像分辨率高，像素尺寸僅受限于艾利斑直徑；同時(shí)還采用了溶液法低溫加工工藝，與任何形貌的基底均兼容；探測(cè)波段高度可定制化，不受襯底吸收影響；而且可以大面積加工，兼容12寸CMOS晶圓制備工藝。


冷板凳一坐就是10年

高科技的背后，是半導(dǎo)體光電相關(guān)的原理，“它是用膠體量子點(diǎn)，把紅外光給吸收了，然后把它變成電子，電子再被這個(gè)讀數(shù)電路進(jìn)行處理，最后得到紅外的圖像。”膠體量子點(diǎn)（CQD）紅外探測(cè)芯片技術(shù)正在向第三代微型、高性能和低成本的方向發(fā)展，是我國實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)芯片技術(shù)彎道超車的突破口。

12年前，高亮是華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院院長唐江教授的博士生，出于自己的喜好和判斷，他并沒有選擇當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體國際前沿領(lǐng)域的熱門方向。“新的、火熱的科研，也許發(fā)論文會(huì)更容易，但我對(duì)半導(dǎo)體新材料電子器件更感興趣。”高亮稱，讀書時(shí)，他選擇了在二維材料半導(dǎo)體、鈣礦半導(dǎo)體、硫金屬氟化物等領(lǐng)域“坐冷板凳”。

興趣是最強(qiáng)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，大三時(shí)，高亮做了一個(gè)課程設(shè)計(jì)“用光電的形式測(cè)自己的心跳”，讀研時(shí)候，高亮覺得“紅外光一般人也看不到，但它有那么多功能，我要一直跟下去。”

基于量子點(diǎn)材料做紅外探測(cè)器的方式，隨后，他跟隨師兄們做了大量的研究實(shí)踐。“博士期間去了這個(gè)技術(shù)的鼻祖多倫多大學(xué)，看到國際最新的發(fā)展趨勢(shì)，也更堅(jiān)定了自己要在這條路上一直走下去的決心。”回過頭來看，高亮的產(chǎn)學(xué)研經(jīng)歷，正是一條“以用為導(dǎo)向”的科研成果轉(zhuǎn)化之路。

近日，高亮獲評(píng)2023年“湖北向上向善好青年”，據(jù)了解，多年來，高亮專注于CQD紅外探測(cè)芯片的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在CQD芯片材料、器件、集成的核心制備。針對(duì)CQD芯片材料缺陷多、器件結(jié)構(gòu)不兼容、集成工藝不成熟等瓶頸問題，提出芯片材料液相外延鈍化新策略、設(shè)計(jì)制備新型頂入射器件、開發(fā)硅基一體化集成工藝，依托團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華為公司研制出國內(nèi)首款CQD紅外探測(cè)芯片，與同類CQD芯片比較，外量子效率國際領(lǐng)先。


突破五大關(guān)鍵環(huán)節(jié)

光谷實(shí)驗(yàn)室表示，在食品檢測(cè)、半導(dǎo)體檢測(cè)等工業(yè)應(yīng)用中，基于短波紅外成像的機(jī)器視覺如同機(jī)器的“眼睛”，具有重要意義。成像芯片作為成像系統(tǒng)最核心部件，對(duì)成像質(zhì)量以及相機(jī)成本均起著決定性作用。

傳統(tǒng)銦鎵砷短波紅外芯片造價(jià)極其昂貴，使得短波紅外相機(jī)均價(jià)高達(dá) 25 萬元，嚴(yán)重制約著市場增長。光谷實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)通過 4 年時(shí)間，全力攻關(guān)量子點(diǎn)技術(shù)，通過低溫的溶液法制備工藝，實(shí)現(xiàn)可與硅基芯片一體化集成的量子點(diǎn)短波紅外成像芯片，其探測(cè)波段范圍遠(yuǎn)超傳統(tǒng)銦鎵砷芯片，同時(shí)制造成本僅不到百分之一。

高亮稱，50人的團(tuán)隊(duì)是新一代短波紅外成像芯片開拓者，唐江教授任首席科學(xué)家，他和華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)/武漢光電國家研究中心雙聘副教授張建兵是聯(lián)合創(chuàng)始人，包括華中科技大學(xué)參與校內(nèi)基礎(chǔ)研究的學(xué)生，團(tuán)隊(duì)人員中80%以上為碩博高材生。

聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)先后突破了材料-器件-電路-集成-系統(tǒng)5個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，突破傳統(tǒng)工藝限制，開拓全新工藝路線，低溫一體化集成，開發(fā)研制出國內(nèi)首款量子點(diǎn)紅外成像樣機(jī)。目前，產(chǎn)品訂單已遍布全國，南方科技大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和國內(nèi)消費(fèi)級(jí)龍頭模組企業(yè)均向光谷實(shí)驗(yàn)室“拋下橄欖枝”。

穿云透霧，面向手機(jī)模組、車載相機(jī)等消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場景，該產(chǎn)品已申請(qǐng)十五項(xiàng)發(fā)明專利，已獲授權(quán)七項(xiàng)。產(chǎn)品已應(yīng)用在車載應(yīng)用、水果分揀、物質(zhì)檢測(cè)、半導(dǎo)體檢測(cè)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。“僅一二個(gè)月，我們就銷售了50多萬，今年預(yù)計(jì)將達(dá)到1000萬以上。”看可見光之未見，開辟短波紅外新時(shí)代！高亮和團(tuán)隊(duì)對(duì)未來充滿了期待。


目標(biāo)直指世界級(jí)重大成果

我國當(dāng)前在高端光電子芯片、光電融合芯片及微系統(tǒng)等領(lǐng)域已形成良好基礎(chǔ)，有條件實(shí)現(xiàn)率先突破，形成國際競爭新優(yōu)勢(shì)。發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢(shì)，戰(zhàn)略前瞻布局光電子技術(shù)，是我國光電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域由“獨(dú)樹一幟”到“國際引領(lǐng)”的重大戰(zhàn)略機(jī)遇。將光谷實(shí)驗(yàn)室打造為國家實(shí)驗(yàn)室，有利于加快實(shí)現(xiàn)我國光電子領(lǐng)域高水平科技自立自強(qiáng)。

光谷實(shí)驗(yàn)室聚集了國內(nèi)乃至全球最頂尖的創(chuàng)新資源。武漢創(chuàng)建光電子國家實(shí)驗(yàn)室具有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和顯著優(yōu)勢(shì)，能為推動(dòng)我國光電子信息產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展、實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)作出更大貢獻(xiàn)。

“光電子信息產(chǎn)業(yè)是應(yīng)用廣泛的戰(zhàn)略高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景和市場潛力。”全國人大代表、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）校長王焰新介紹，無論是從產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間來看，還是從國家光電子信息戰(zhàn)略發(fā)展來看，都需要重點(diǎn)打造優(yōu)勢(shì)平臺(tái)、優(yōu)勢(shì)學(xué)科、優(yōu)勢(shì)人才、優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，而將光谷實(shí)驗(yàn)室打造為國家實(shí)驗(yàn)室將充分發(fā)掘創(chuàng)新平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，提升光電信息領(lǐng)域原始創(chuàng)新能力，形成更多領(lǐng)先原創(chuàng)性成果，加速科技成果轉(zhuǎn)化，為湖北和全國光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展續(xù)航。

“將光谷實(shí)驗(yàn)室打造為國家實(shí)驗(yàn)室，不單純是單一的實(shí)驗(yàn)室的升級(jí)體能，更是整個(gè)光電子信息產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新鏈的體能，進(jìn)一步促進(jìn)我國光電子領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)。”全國人大代表、銳科激光副董事長兼總工程師閆大鵬認(rèn)為，加強(qiáng)光電子技術(shù)的研發(fā)投入，將有助于國家掌握這一前瞻性技術(shù)，將形成科技、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)新優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)科技高水平自立自強(qiáng)夯實(shí)根基。

湖北光谷實(shí)驗(yàn)室扎根“武漢·中國光谷”，堅(jiān)持“四個(gè)面向”，聚焦下一代通信網(wǎng)絡(luò)器件與芯片等四大任務(wù)，建設(shè)光電芯片微納制造及測(cè)試平臺(tái)等三大平臺(tái)，以“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、制造強(qiáng)國、健康強(qiáng)國”三大使命為導(dǎo)向，著力提升光電信息領(lǐng)域原始創(chuàng)新能力，突破“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)瓶頸，加速科技成果轉(zhuǎn)化，打造我省光電信息領(lǐng)域創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略力量。