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，“堅持創新驅動發展，加快建設現代產業體系”“打造全國科技創新高地”。明確提出，加強戰略科技力量培育，爭創國家實驗室或在鄂基地，推進全國重點實驗室優化重組，高水平建設漢江實驗室、光谷實驗室和東湖實驗室等湖北實驗室，建設重大科技基礎設施集群。

去年2月至今，我省已有10家湖北實驗室陸續正式運行，它們“組團”發力，為推進全省科技創新體系整體效能加裝“發動機”，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新攻關的風采。

“我們一直在做相關實驗，不斷提高它的穩定性，爭取早日產業化。”8月25日，湖北光谷實驗室8樓，華中科技大學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的基礎之一，被廣泛應用于機器視覺、物質鑒別、生物成像等新興領域。然而，受加工溫度和單晶基板的限制，現有的紅外成像芯片主要采用異質集成的方式實現紅外光電二極管與硅基互聯，面臨工藝復雜、分辨率受限、大規模生產困難、成本高等問題。

“電子產品使用的硅基芯片主要工作于可見光波段，成像距離受環境限制，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警。”高亮介紹，基于此，量子點紅外探測器經過十幾年的發展，其性能（探測波段、響應度、比探測率）已經接近傳統材料器件的性能，擁有巨大的成本優勢。他們團隊正在做的，就是研發量子點短波紅外成像芯片量產化技術，為光谷實驗室技術孵化落地做出貢獻。

研二學生張琳祥兩年前加入這個團隊，從此每天都“泡”在實驗室。“我們要不間斷地進行芯片工藝調試，探索適于自動化制備的最佳工藝窗口。”記者看到，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。“薄膜是關鍵，再通過全低溫一體化集成，制作成紅外探測芯片。”張琳祥介紹，他的工作就是通過不斷測試芯片，找到一個更穩定、更合適的器件結構，即便在復雜的環境下，也能夠保持器件性能。

團隊有二十多人，結束暑期生活返校后，他們已經在實驗室工作快一個星期了。“實驗中我們碰到的失敗數也數不清，就是在失敗的基礎上一點點摸索，一點點前進。”他們克服材料、結構、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。

看著這些可喜的數據，張琳祥和同伴們很開心。“老師教導我們，研發過程中要沉下心，要有定力，把該做的工作做好。”

國內首款！硫化鉛膠體量子點紅外成像芯片研發成功

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構的光電二極管，實現了30萬像素、性能可媲美商用銦鎵砷的短波紅外芯片。這是國內首款硫化鉛膠體量子點紅外成像芯片，相關成果已發表在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。但現有相關器件結構存在不適配難題，其耗盡區遠離入射光，導致器件外量子效率低。

唐江教授團隊根據硫化鉛膠體量子點的特性，設計出了適配硅基讀出電路的頂入射結構光電二極管，通過模擬分析和實驗優化器件結構，使耗盡區靠近入射光，實現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，也具有廣泛的應用潛力。