量子點紅外成像技術概念

量子點（Quantum dots，QDs）是具有尺寸可調特征的1-20nm的半導體納米晶體，在可見光和紅外波長范圍內具有較強的光吸收和明亮的窄帶****。

膠體量子點（Colloidal quantum dot，CQDs），量子限域效應明顯，液相加工工藝使得其可以與硅基讀出電路進行直接片上耦合，紅外成像器件通過集成探測紅外光子的紅外探測器和激發可見光子的發光二極管，利用器件內光-電-光的線性轉換過程，避免了讀出電路和復雜的電信號處理過程，能夠直接可視化紅外圖像。

量子點的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進行調整。量子點材料包括：Cd（鎘）基、In（銦）基、PbS（硫化鉛）、Perovskite（鈣鈦礦），以及新興的CuInS2（硫銦銅）、InAs（砷化銦）、ZnTeSe（硒鎘汞）。它們具有不同的帶隙，因此具有不同的吸收和****光譜的能力。

在性能與InGaAs芯片相當的前提下，基于量子點的成像芯片的成本不到其1%，有望實現短波紅外成像在消費級領域的應用。

量子點紅外成像技術發展歷史

?光電導效應發現于1873年的海底電纜絕緣層實驗。1917年，第一個紅外光電導探測器被研制出來。

?1981年和1983年，前蘇聯科學家Alexei Ekimov和美國科學家Louis Brus分別獨立發現了半導體納米顆粒的量子尺寸效應。

?量子點在光電探測中的首次嘗試是在 1992 年，當時膠體量子點被視為絕緣膠體，作為一種感光劑應用于電子照相技術中。

?1993年，美國麻省理工學院Moungi G. Bawendi教授帶領的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點的大規模應用開發打開了大門。

?1998 年，量子點紅外探測器（QDIPs）首次被論證。

?2003年，“固態配體交換”的方法被提出，為膠體量子點在光電探測領域的應用提供了可能。

?2005年，多倫多大學Edward H. Sargent教授發表了第一篇短波紅外膠體量子點混合光探測器。2009年，西門子和奧地利林茨大學合作研發出PbS膠體量子點探測器。至此開始 PbS CQD 探測器的研究在近十年的時間內成為該研究領域的新寵。

?2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens課題組通過使用石墨烯及PbS量子點晶體管結構，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規模388×288，像元間距35μm。

?2022年，華中科技大學報道了一種基于PbS量子點的近紅外焦平面陣列，并展示了940nm光照下的成像效果。

?近年來具有優異光電性能的量子點材料在硅基探測器的集成中已經有了一定的成果，為硅基探測器性能的提升提供了新的思路。雖然量子點增強硅基探測器已經收獲較好的效果，但仍存在一些機遇與挑戰。例如專用材料缺乏，存在集成工藝問題以及需要開發與之匹配的先進的成像算法等。

量子點紅外技術發展現狀

1、中美是量子點紅外成像領域的主要目標市場國

紅外成像技術應用非常廣泛，而量子點紅外成像將極大地擴展其應用可能，近年來呈現快速發展的態勢。

根據相關專利數據（申請年2005以后），將量子點應用于紅外探測的技術從2005開始興起，最早開始布局且為該領域TOP1的申請人InVisage公司，隨后呈現較為穩定的增長趨勢；2011年左右數量激增，在2019-2020年左右，部分歐美相關技術企業已經完成專利布局，專利申請數量略有下降。

隨著中國加入該項技術的投入和研究中，該領域的中國申請人近幾年的相關專利布局量整體呈現較為明顯的增長，說明該領域的主要申請人仍十分注重該領域相關技術的研發和專利布局。

圖1：申請人排名分析

該領域中，國外申請人擁有較多早期專利申請，相對國內具備一定的領先能力。