成本降低90%以上 ！10年冷板凳之后，光谷實驗室攻克短波紅外成像芯片新技術

湖北光谷實驗室的科研團隊近日研發出一款具備短波紅外成像能力的膠體量子點成像芯片。這款芯片面陣規模達到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%，性能優越。

該技術的核心優勢在于其圖像分辨率高，像素尺寸僅受限于艾利斑直徑；同時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，是半導體光電相關的原理，“它是用膠體量子點，把紅外光給吸收了，然后把它變成電子，電子再被這個讀數電路進行處理，最后得到紅外的圖像。”膠體量子點（CQD）紅外探測芯片技術正在向第三代微型、高性能和低成本的方向發展，是我國實現紅外探測芯片技術彎道超車的突破口。

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

興趣是最強的創新驅動，大三時，高亮做了一個課程設計“用光電的形式測自己的心跳”，讀研時候，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。”

基于量子點材料做紅外探測器的方式，隨后，他跟隨師兄們做了大量的研究實踐。“博士期間去了這個技術的鼻祖多倫多大學，看到國際最新的發展趨勢，也更堅定了自己要在這條路上一直走下去的決心。”回過頭來看，高亮的產學研經歷，正是一條“以用為導向”的科研成果轉化之路。

近日，高亮獲評2023年“湖北向上向善好青年”，據了解，多年來，高亮專注于CQD紅外探測芯片的基礎應用研究，主要貢獻體現在CQD芯片材料、器件、集成的核心制備。針對CQD芯片材料缺陷多、器件結構不兼容、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、設計制備新型頂入射器件、開發硅基一體化集成工藝，依托團隊聯合華為公司研制出國內首款CQD紅外探測芯片，與同類CQD芯片比較，外量子效率國際領先。


突破五大關鍵環節

光谷實驗室表示，在食品檢測、半導體檢測等工業應用中，基于短波紅外成像的機器視覺如同機器的“眼睛”，具有重要意義。成像芯片作為成像系統最核心部件，對成像質量以及相機成本均起著決定性作用。

傳統銦鎵砷短波紅外芯片造價極其昂貴，使得短波紅外相機均價高達 25 萬元，嚴重制約著市場增長。光谷實驗室團隊通過 4 年時間，全力攻關量子點技術，通過低溫的溶液法制備工藝，實現可與硅基芯片一體化集成的量子點短波紅外成像芯片，其探測波段范圍遠超傳統銦鎵砷芯片，同時制造成本僅不到百分之一。

高亮稱，50人的團隊是新一代短波紅外成像芯片開拓者，唐江教授任首席科學家，他和華中科技大學光學與電子信息學/武漢光電國家研究中心雙聘副教授張建兵是聯合創始人，包括華中科技大學參與校內基礎研究的學生，團隊人員中80%以上為碩博高材生。

聯合科研團隊先后突破了材料-器件-電路-集成-系統5個關鍵環節，突破傳統工藝限制，開拓全新工藝路線，低溫一體化集成，開發研制出國內首款量子點紅外成像樣機。目前，產品訂單已遍布全國，南方科技大學、浙江大學、西北工業大學和國內消費級龍頭模組企業均向光谷實驗室“拋下橄欖枝”。

穿云透霧，面向手機模組、車載相機等消費級應用場景，該產品已申請十五項發明專利，已獲授權七項。產品已應用在車載應用、水果分揀、物質檢測、半導體檢測、安防監控等領域。“僅一二個月，我們就銷售了50多萬，今年預計將達到1000萬以上。”看可見光之未見，開辟短波紅外新時代！高亮和團隊對未來充滿了期待。


目標直指世界級重大成果

我國當前在高端光電子芯片、光電融合芯片及微系統等領域已形成良好基礎，有條件實現率先突破，形成國際競爭新優勢。發揮新型舉國體制優勢，戰略前瞻布局光電子技術，是我國光電子信息產業領域由“獨樹一幟”到“國際引領”的重大戰略機遇。將光谷實驗室打造為國家實驗室，有利于加快實現我國光電子領域高水平科技自立自強。

光谷實驗室聚集了國內乃至全球最頂尖的創新資源。武漢創建光電子國家實驗室具有堅實基礎和顯著優勢，能為推動我國光電子信息產業加快發展、實現科技自立自強作出更大貢獻。

“光電子信息產業是應用廣泛的戰略高新技術產業，具有廣闊的發展前景和市場潛力。”全國人大代表、中國地質大學（武漢）校長王焰新介紹，無論是從產業發展空間來看，還是從國家光電子信息戰略發展來看，都需要重點打造優勢平臺、優勢學科、優勢人才、優勢產業，而將光谷實驗室打造為國家實驗室將充分發掘創新平臺的優勢，提升光電信息領域原始創新能力，形成更多領先原創性成果，加速科技成果轉化，為湖北和全國光電子產業發展續航。

“將光谷實驗室打造為國家實驗室，不單純是單一的實驗室的升級體能，更是整個光電子信息產業的創新鏈的體能，進一步促進我國光電子領域產業鏈升級。”全國人大代表、銳科激光副董事長兼總工程師閆大鵬認為，加強光電子技術的研發投入，將有助于國家掌握這一前瞻性技術，將形成科技、經濟產業新優勢，為實現科技高水平自立自強夯實根基。

湖北光谷實驗室扎根“武漢·中國光谷”，堅持“四個面向”，聚焦下一代通信網絡器件與芯片等四大任務，建設光電芯片微納制造及測試平臺等三大平臺，以“網絡強國、制造強國、健康強國”三大使命為導向，著力提升光電信息領域原始創新能力，突破“卡脖子”關鍵核心技術瓶頸，加速科技成果轉化，打造我省光電信息領域創新驅動高質量發展的戰略力量。