原標題：湖北光谷實驗室唐江教授團隊—— 潛心研制“中國造”短波紅外成像芯片

湖北日報全媒記者 方琳

編者按

省第十二次黨代會強調(diào)，“堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，加快建設(shè)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系”“打造全國科技創(chuàng)新高地”。明確提出，加強戰(zhàn)略科技力量培育，爭創(chuàng)國家實驗室或在鄂基地，推進全國重點實驗室優(yōu)化重組，高水平建設(shè)漢江實驗室、光谷實驗室和東湖實驗室等湖北實驗室，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家湖北實驗室陸續(xù)正式運行，它們“組團”發(fā)力，為推進全省科技創(chuàng)新體系整體效能加裝“發(fā)動機”，增強新動能。一年多來，湖北實驗室科研取得了哪些進展？建設(shè)者們有哪些新探索？8月底開始，湖北日報全媒記者先后走進部分湖北實驗室，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)實驗，不斷提高它的穩(wěn)定性，爭取早日產(chǎn)業(yè)化。”8月25日，湖北光谷實驗室8樓，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心副教授高亮向湖北日報全媒記者介紹，他所在的唐江教授團隊目前研制的量子點短波紅外成像芯片進展順利。

每天“泡”在實驗室，不停地實驗、檢測

紅外成像芯片是光傳感技術(shù)的基礎(chǔ)之一，被廣泛應(yīng)用于機器視覺、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、成本高等問題。

“電子產(chǎn)品使用的硅基芯片主要工作于可見光波段，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。可見光與短波紅外融合，就能夠有更好的成像體驗，如圖像細節(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，在惡劣天氣中還能進行障礙預(yù)警?！备吡两榻B，基于此，量子點紅外探測器經(jīng)過十幾年的發(fā)展，其性能（探測波段、響應(yīng)度、比探測率）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。他們團隊正在做的，就是研發(fā)量子點短波紅外成像芯片量產(chǎn)化技術(shù)，為光谷實驗室技術(shù)孵化落地做出貢獻。

研二學(xué)生張琳祥兩年前加入這個團隊，從此每天都“泡”在實驗室?！拔覀円婚g斷地進行芯片工藝調(diào)試，探索適于自動化制備的最佳工藝窗口?！庇浾呖吹?，在不同的實驗室，團隊成員分別進行量子點合成、液相配體交換、漿料配制等流程，然后通過噴墨旋涂，制備量子點薄膜。“薄膜是關(guān)鍵，再通過全低溫一體化集成，制作成紅外探測芯片?！睆埩障榻榻B，他的工作就是通過不斷測試芯片，找到一個更穩(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。

團隊有二十多人，結(jié)束暑期生活返校后，他們已經(jīng)在實驗室工作快一個星期了?！皩嶒炛形覀兣龅降氖?shù)也數(shù)不清，就是在失敗的基礎(chǔ)上一點點摸索，一點點前進?！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，探測范圍越來越廣。

看著這些可喜的數(shù)據(jù)，張琳祥和同伴們很開心?！袄蠋熃虒?dǎo)我們，研發(fā)過程中要沉下心，要有定力，把該做的工作做好?！?

國內(nèi)首款！硫化鉛膠體量子點紅外成像芯片研發(fā)成功

今年上半年，唐江教授團隊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，實現(xiàn)了30萬像素、性能可媲美商用銦鎵砷的短波紅外芯片。這是國內(nèi)首款硫化鉛膠體量子點紅外成像芯片，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) 單個像素的電路圖；f) 電路的讀出時序

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的紅外材料，硫化鉛膠體量子點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)遠離入射光，導(dǎo)致器件外量子效率低。

唐江教授團隊根據(jù)硫化鉛膠體量子點的特性，設(shè)計出了適配硅基讀出電路的頂入射結(jié)構(gòu)光電二極管，通過模擬分析和實驗優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，使耗盡區(qū)靠近入射光，實現(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。

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

高亮說，“目前，高端短波紅外成像芯片國外禁運，銦鎵砷芯片正處于卡脖子現(xiàn)狀。我們想早日做好中國人自己的量子點短波紅外成像芯片，助力科技強國建設(shè)。”

記者了解到，光谷實驗室運行一年多來，聚焦光電子技術(shù)與裝備，爭創(chuàng)國家實驗室，瞄準未來智能時代的高端芯片、光電融合、異質(zhì)異構(gòu)集成、“感—存—算—通—動—能”一體化復(fù)雜巨系統(tǒng)等前沿科學(xué)與技術(shù)問題，開展長期穩(wěn)定的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，圍繞通信、傳感、物聯(lián)網(wǎng)、高端制造等重點行業(yè)發(fā)展的卡脖子難點問題，力爭實現(xiàn)率先突破和國際引領(lǐng)，助推“武漢·中國光谷”走向“世界光谷”，成為國家在光電子領(lǐng)域的戰(zhàn)略科技力量。