应用于近红外（NIR）短波红外（SWIR）图像传感器

900 – 2500 nm 范围内的近红外 (NIR) 或短波红外 (SWIR) 传感在机器视觉（用于食品和商品质量检测和控制、塑料分类）、汽车应用（用于 3D 航空和地理测绘、夜间和恶劣天气条件（雾/雾/雪）的高级驾驶员辅助系统）、智能手机摄像头（用于生物识别和 3D 摄影）、AR 和 VR 耳机（用于眼睛跟踪）、夜视和监视。目前基于混合 InGaAs 技术的相机生产成本高，价格也高（超过 10,000 美元）。它们还具有较窄的灵敏度范围（高达 1700 nm）和有限的相机分辨率（<1.36 MP）。

图 .带有石头污染物的咖啡豆的 照片：（左）使用可见光相机拍摄的照片，（右）使用 NIR 相机拍摄的照片，咖啡豆（白点）和石头（黑点）之间存在明显差异

PbS量子点可以单片集成到硅 CMOS 读出集成电路 (ROIC) 上，使其成为理想的解决方案。它们的成本效益是 InGaAs 相机的 10-1000 倍，因此更经济，可用于生产具有宽带灵敏度（300-2500 nm）的高分辨率（高达 10 MP）图像传感器。

当用于 NIR (SWIR) 传感器时，PbS量子点可以产生以下优势：

• 它们可以通过印刷/旋涂制造工艺轻松集成到硅 CMOS ROIC 中。这可以实现高分辨率和低成本。

• 它们在可见光和 NIR (SWIR) 范围内具有广泛的灵敏度，从 300 nm 到 2500 nm（可根据量子点粒径进行调节）

• 它们具有卓越的光电特性，具有高器件 EQE 和探测率，以及低暗电流。

SWIR图像传感器技术比较

下表说明了量子点 SWIR (NIR) 传感器技术与传统和其他新兴 SWIR 技术的比较。选择这些属性是因为它们在典型的 SWIR 图像传感器相机中的重要性。

硅CMOS是目前相机中广泛应用的一种传感器技术。硅 CMOS 传感器在可见光范围内提供高性能和高效率，EQE 高达 80%，暗电流极低 < 1 nA/cm2，分辨率超过 2-10 MP，典型像素尺寸为 1-3 μm。然而，其灵敏度在 SWIR 范围内（超过 800 nm）显着下降。使用 36-50% 的 EQE 可以将灵敏度范围扩展到 940 nm，但由于硅的固有特性在 1100 nm 处具有完全吸收截止，因此向更长的 SWIR 波段进一步扩展灵敏度是有限的。

有一些技术可以实现 SWIR 传感。其中最著名的是在 400 – 1700 nm 范围内工作的 InGaAs 混合 CMOS 技术。该传感器由外延生长的 InGaAs 层阵列组成。InGaAs 阵列的每个像素通过焊接凸点键合与来自硅 CMOS 读出集成电路 (ROIC) 基板的相应像素相连。尽管传感器在高 EQE > 75% 和低暗电流 < 10 nA/cm2 方面具有令人印象深刻的特性，但复杂的器件结构和制造导致可扩展性低、成本高（超过 10,000 美元）和分辨率有限（小于具有典型像素间距的 1 MP 分辨率约为 15-20 μm）。最近在将像素间距缩小到 5 μm（分辨率 1.37 MP）方面取得了进展，这种相机的价格上涨得更多。这些限制根本不允许大规模生产 SWIR 传感器，因此阻碍了它们的大规模采用。

在寻找可负担得起的替代解决方案时，SWIR 传感器技术朝着制造单片集成硅 CMOS 的方向发展。已经出现的一种替代方案是等离子技术。它包括在硅基板上沉积一层薄薄的金属，例如铝。由于金属-硅界面中的等离子体效应，SWIR 光会产生光电流。然而，等离子体技术在低 EQE（低于 1-2%）和高暗电流方面表现较差。另一种技术是硅基锗。它涉及在硅顶部沉积 Ge，从而能够检测 400 至 1550 nm 的光。但由于硅和锗之间的界面不均匀，它会导致更高的暗电流。

最有前途的单片技术之一是基于量子点，与上述技术相比，它具有令人印象深刻的优势。量子点是具有独特光电特性的半导体材料纳米粒子。PbS 量子点可以分散在各种溶剂中，并简单地印刷在硅 CMOS 读出器上，形成量子点堆栈。基于量子点的 SWIR 传感器表现出高达 60% 的高 EQE，低暗电流 < 10-100 nA/cm2，像素间距低于 2 μm（分辨率超过 10 MP）。该技术的独特之处之一是只需改变量子点的大小，即可在 350 nm 至 2500 nm 的宽范围内调节传感器灵敏度。量子点技术有望大幅降低 SWIR 传感器和相机的成本（例如，与 InGaAs 传感器相比降低 100-1000 倍），并且有可能降低传统硅 CMOS 传感器的成本。量子点技术能够使 SWIR 传感器价格适中，从而使 SWIR 行业在机器视觉、汽车和消费电子领域得到大规模采用。