量子點紅外成像技術(shù)概念

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

膠體量子點（Colloidal quantum dot，CQDs），量子限域效應(yīng)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(fā)可見光子的發(fā)光二極管，利用器件內(nèi)光-電-光的線性轉(zhuǎn)換過程，避免了讀出電路和復(fù)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(diào)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發(fā)射光譜的能力。

在性能與InGaAs芯片相當?shù)那疤嵯?，基于量子點的成像芯片的成本不到其1%，有望實現(xiàn)短波紅外成像在消費級領(lǐng)域的應(yīng)用。

量子點紅外成像技術(shù)發(fā)展歷史

?光電導(dǎo)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于1873年的海底電纜絕緣層實驗。1917年，第一個紅外光電導(dǎo)探測器被研制出來。

?1981年和1983年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Alexei Ekimov和美國科學(xué)家Louis Brus分別獨立發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)。

?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(yīng)用于電子照相技術(shù)中。

?1993年，美國麻省理工學(xué)院Moungi G. Bawendi教授帶領(lǐng)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(guī)模應(yīng)用開發(fā)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(tài)配體交換”的方法被提出，為膠體量子點在光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

?2005年，多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授發(fā)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(xué)合作研發(fā)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(nèi)成為該研究領(lǐng)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(jié)構(gòu)，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規(guī)模388×288，像元間距35μm。

?2022年，華中科技大學(xué)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(yōu)異光電性能的量子點材料在硅基探測器的集成中已經(jīng)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(jīng)收獲較好的效果，但仍存在一些機遇與挑戰(zhàn)。例如專用材料缺乏，存在集成工藝問題以及需要開發(fā)與之匹配的先進的成像算法等。

量子點紅外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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中美是量子點紅外成像領(lǐng)域的主要目標市場國

紅外成像技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，而量子點紅外成像將極大地擴展其應(yīng)用可能，近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。

根據(jù)相關(guān)專利數(shù)據(jù)（申請年2005以后），將量子點應(yīng)用于紅外探測的技術(shù)從2005開始興起，最早開始布局且為該領(lǐng)域TOP1的申請人InVisage公司，隨后呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長趨勢；2011年左右數(shù)量激增，在2019-2020年左右，部分歐美相關(guān)技術(shù)企業(yè)已經(jīng)完成專利布局，專利申請數(shù)量略有下降。

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

圖1：申請人排名分析

該領(lǐng)域中，國外申請人擁有較多早期專利申請，相對國內(nèi)具備一定的領(lǐng)先能力。

該領(lǐng)域TOP10申請人中，國外申請人占據(jù)8席，其相關(guān)專利布局時間較早且近幾年呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的一定專利申請量；國內(nèi)主要申請人在該領(lǐng)域的布局整體較晚，且主要在2022年左右開始激增，說明國內(nèi)主要申請人近年來對該領(lǐng)域的重視程度的提高以及相關(guān)研發(fā)產(chǎn)出的增加。

圖2：該領(lǐng)域?qū)＠暾埮c授權(quán)趨勢

早期美國市場的相關(guān)專利布局量具有絕對優(yōu)勢，2011-2012年左右，其相關(guān)科研專利數(shù)量較多，2017年左右開始更多商業(yè)化布局，2018-2019年左右，歐洲進入相關(guān)技術(shù)專利的申請高峰，而在2022-2023年左右，中國市場的相關(guān)專利布局量實現(xiàn)反超，不過目前中國相關(guān)的專利也主要由高?；蚩蒲袡C構(gòu)申請，企業(yè)申請較少，尚未形成產(chǎn)業(yè)化。

圖3：主要國家/地域?qū)＠甓壬暾堏厔?/strong>