量子点增强硅基探测成像器件的研究进展
发布时间：2021-02-10 08:52
硅基探测成像器件具有可靠性高、易集成和成本低等优点,是目前应用最广泛的探测成像器件。随着人工智能和无人驾驶等技术的日益发展,对探测成像器件提出了更高的要求,而硅基探测成像器件性能的提升成为重要的研究方向。量子点具有吸收系数大、光谱可调、发光效率高和易集成等优点,是一类优异的光谱转换和光调制材料。利用量子点材料可调制的光学特性,可以对硅基探测成像器件的功能进行拓展,从而实现紫外响应增强、红外响应拓展、紫外偏振探测和多光谱成像等功能。经过多年的研究,这一领域已经取得了一定的进展,部分技术展现出较好的应用前景。本文介绍了量子点增强硅基探测器在紫外探测、红外成像、偏振探测和多光谱成像方面的研究进展,希望能够引起国内学术界和工业界的关注和重视。
【文章来源】：中国光学. 2020,13(01)北大核心
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
CH3NH3PbBr3量子点增强EMCCD[27]
2016年,美国InVisage公司报导了通过使用量子点膜和CMOS结合的方式实现红外探测。该红外探测器在不使用机械快门的条件下具有较高的外量子效率和灵敏度。探测器两个像素区域的切面在940 nm光源下的模拟光场示意图如图5(a)所示,量子点膜堆叠在CMOS晶圆上方,作为光活性层使用。通过改变量子点材料的带隙,可实现对任意红外波段的响应。在940 nm处,量子点材料的吸收系数比硅材料大58倍,因此可以使用更薄的量子点膜,从而达到降低串扰的效果。从图5(a)所示的光场强度分布可以看出,两个相邻像素之间不存在串扰现象。通过控制不同量子点垂直接触电极偏压的方式,控制量子点膜的光开关,从而在不使用机械快门的情况下即可实现全局快门操作,有利于降低系统的复杂性,减小探测器的体积。对于需要使用机械快门实现全局扫描的硅基探测器来说,像素的大小至少为3 μm,相比之下,基于量子点膜的探测器可以在像素大小为1.1 μm的情况下实现全局快门操作,较小尺寸的像素有利于探测器分辨率的提高。由于量子点材料独特的优势,使得量子点增强硅基探测器的外量子效率得到明显提高,在940 nm处的外量子效率高达42%。图5(b)是在940 nm光源下,使用普通硅基探测器(左)和量子点膜增强硅基探测器(右)的成像效果对比图。由图可知,量子点膜增强硅基探测器具有更清晰的成像,图片中眼镜后面的物体也清晰可见,使其有望应用于虹膜和人脸识别中。4.3 紫外偏振探测
偏振作为光的基本特性之一,在液晶显示[52]和探测[53]等方面有着广泛应用。Tyo等人[54]针对偏振探测和强度探测进行了对比,发现在自然背景中,相较于强度探测,红外偏振探测可以更容易发现伪装中的卡车等人造物体,即在漫反射的自然背景中,偏振探测在分辨人造物体方面有着明显的优势。目前,偏振探测的主要解决方案为“偏振片+探测器”。按照偏振片类型,其可分为旋转偏振片型、分振幅型和分焦平面型等。其中旋转偏振片型通过结合偏振片和成像系统的方式获得偏振图像,属于时序型的工作方式,但由于其采用转动的偏振片作为部件,使其只适合于静对静的观测。随着微纳加工技术的发展,出现了分焦平面型的偏振探测器,其原理为在探测器探测面阵的每个像元前加入微型偏振片,从而有利于实现系统的微型化。此外,圆偏振片的加入有望在将来实现全偏振成像。虽然该领域已经取得了一定进展,但是仍会存在制备工艺复杂和偏振片与像元的匹配等问题,目前大多处于探索阶段。如前所述,由于硅基探测器在紫外波段的响应度较低,加之紫外波段光学元件制备困难,目前针对紫外偏振探测的研究仍处于起步阶段[55-56]。利用纳米棒的偏振响应特性,本课题组将CdSe@CdS纳米棒在聚合物薄膜中通过拉伸的方式进行定向,并将其与EMCCD结合,实现了紫外偏振探测。图6(a)是器件的结构示意图,当紫外光照射到器件上时,薄膜将紫外光转换为可见光,从而增强硅基器件的紫外响应。在光下转换的过程中,偏振方向平行于纳米棒排列方向的光的强度得以保持。而偏振方向垂直于纳米棒排列方向的光的强度将被削弱,从而获取入射光的信息。利用该光学系统,不仅实现了探测器对紫外光的响应(图6(b)),同时也成功实现了23%的光电流强度差(图6(c)),结合一些图像处理算法,有望获取紫外偏振增强图像[57]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]天基紫外预警技术发展现状及思考[J]. 周峰,郑国宪,闫锋,李想,吴立民. 航天返回与遥感. 2012(06)
[2]增强光电图像传感器紫外探测薄膜的制备[J]. 刘猛,张大伟,谢品,倪争技,黄元申. 仪表技术与传感器. 2009(09)
硕士论文
[1]超级像素CMOS图像传感器技术研究[D]. 王俊.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
本文编号：3027114
【文章来源】：中国光学. 2020,13(01)北大核心
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
CH3NH3PbBr3量子点增强EMCCD[27]
2016年,美国InVisage公司报导了通过使用量子点膜和CMOS结合的方式实现红外探测。该红外探测器在不使用机械快门的条件下具有较高的外量子效率和灵敏度。探测器两个像素区域的切面在940 nm光源下的模拟光场示意图如图5(a)所示,量子点膜堆叠在CMOS晶圆上方,作为光活性层使用。通过改变量子点材料的带隙,可实现对任意红外波段的响应。在940 nm处,量子点材料的吸收系数比硅材料大58倍,因此可以使用更薄的量子点膜,从而达到降低串扰的效果。从图5(a)所示的光场强度分布可以看出,两个相邻像素之间不存在串扰现象。通过控制不同量子点垂直接触电极偏压的方式,控制量子点膜的光开关,从而在不使用机械快门的情况下即可实现全局快门操作,有利于降低系统的复杂性,减小探测器的体积。对于需要使用机械快门实现全局扫描的硅基探测器来说,像素的大小至少为3 μm,相比之下,基于量子点膜的探测器可以在像素大小为1.1 μm的情况下实现全局快门操作,较小尺寸的像素有利于探测器分辨率的提高。由于量子点材料独特的优势,使得量子点增强硅基探测器的外量子效率得到明显提高,在940 nm处的外量子效率高达42%。图5(b)是在940 nm光源下,使用普通硅基探测器(左)和量子点膜增强硅基探测器(右)的成像效果对比图。由图可知,量子点膜增强硅基探测器具有更清晰的成像,图片中眼镜后面的物体也清晰可见,使其有望应用于虹膜和人脸识别中。4.3 紫外偏振探测
偏振作为光的基本特性之一,在液晶显示[52]和探测[53]等方面有着广泛应用。Tyo等人[54]针对偏振探测和强度探测进行了对比,发现在自然背景中,相较于强度探测,红外偏振探测可以更容易发现伪装中的卡车等人造物体,即在漫反射的自然背景中,偏振探测在分辨人造物体方面有着明显的优势。目前,偏振探测的主要解决方案为“偏振片+探测器”。按照偏振片类型,其可分为旋转偏振片型、分振幅型和分焦平面型等。其中旋转偏振片型通过结合偏振片和成像系统的方式获得偏振图像,属于时序型的工作方式,但由于其采用转动的偏振片作为部件,使其只适合于静对静的观测。随着微纳加工技术的发展,出现了分焦平面型的偏振探测器,其原理为在探测器探测面阵的每个像元前加入微型偏振片,从而有利于实现系统的微型化。此外,圆偏振片的加入有望在将来实现全偏振成像。虽然该领域已经取得了一定进展,但是仍会存在制备工艺复杂和偏振片与像元的匹配等问题,目前大多处于探索阶段。如前所述,由于硅基探测器在紫外波段的响应度较低,加之紫外波段光学元件制备困难,目前针对紫外偏振探测的研究仍处于起步阶段[55-56]。利用纳米棒的偏振响应特性,本课题组将CdSe@CdS纳米棒在聚合物薄膜中通过拉伸的方式进行定向,并将其与EMCCD结合,实现了紫外偏振探测。图6(a)是器件的结构示意图,当紫外光照射到器件上时,薄膜将紫外光转换为可见光,从而增强硅基器件的紫外响应。在光下转换的过程中,偏振方向平行于纳米棒排列方向的光的强度得以保持。而偏振方向垂直于纳米棒排列方向的光的强度将被削弱,从而获取入射光的信息。利用该光学系统,不仅实现了探测器对紫外光的响应(图6(b)),同时也成功实现了23%的光电流强度差(图6(c)),结合一些图像处理算法,有望获取紫外偏振增强图像[57]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]天基紫外预警技术发展现状及思考[J]. 周峰,郑国宪,闫锋,李想,吴立民. 航天返回与遥感. 2012(06)
[2]增强光电图像传感器紫外探测薄膜的制备[J]. 刘猛,张大伟,谢品,倪争技,黄元申. 仪表技术与传感器. 2009(09)
硕士论文
[1]超级像素CMOS图像传感器技术研究[D]. 王俊.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
本文编号：3027114
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3027114.html
