封面展示了新型红外光电探测器件：不可见的红外光经过胶体量子点材料转换为电信号并通过读出电路得到红外成像。胶体量子点的液相加工工艺使其与硅基读出电路直接片上电学耦合，可以突破倒装键合工艺的限制，在红外探测及成像领域具有巨大的应用前景。

　　本文概括性地介绍了硫汞族胶体量子点红外探测器的研究现状与进展、硫汞族胶体量子点焦平面阵列的设计方法，并对硫汞族胶体量子点在各类探测中的应用进行阐述，简要讨论了硫汞族胶体量子点红外上转换探测器的发展进程。最后本文对硫汞族胶体量子点的未来发展趋势进行了讨论与展望。

　　红外探测器可远距离、全天候识别物体的光学信息，在卫星遥感、军事侦察等方面发挥了及其重要的作用。目前红外探测器主要基于碲镉汞、铟镓砷、锑化铟等块体半导体材料，在晶格匹配的衬底上通过分子束外延法制备，并且需要经过铟柱沉积、倒装键合等多项复杂工艺实现与读出电路的信号耦合，这导致了高昂的成本和较低的产率。然而，随着近年来半导体行业智能化、信息化及无人驾驶、智慧城市等领域的加快速度进行发展，在维持红外探测器高性能的前提下，降低器件成本、减小器件尺寸重量，实现大阵列规模、大批量晶圆级别制备慢慢的变成为了红外领域的研究热点。

　　胶体量子点的出现为低成本、大规模、高分辨、小像元的红外探测器提供了新的发展思路。胶体量子点是三维方向上电子限域的纳米半导体晶体，其典型尺寸在1~20 nm范围。由于“量子限域效应”，量子点带隙可由有限高三维势阱模型描述，其能级能够最终靠量子点尺寸精准调控，进而实现宽光谱光响应。此外，胶体量子点可通过液相化学合成方法实现低成本大批量地制备。液相加工工艺使得其可以与硅基读出电路进行直接片上耦合，突破了倒装键合工艺的限制。

　　胶体量子点光吸收过程大致上可以分为带间跃迁吸收和带内跃迁吸收两种。带间跃迁发生于量子点导带与价带之间：当入射光子能量大于或等于带间带隙时，入射光子能量可激发导带内电子跃迁，形成光吸收进而产生光生载流子。带内跃迁发生于导带或价带内：只有当入射光子能量等于带间带隙时，光子能量才可被吸收，进而形成载流子。

　　作为硫汞族胶体量子点的早期研究团队——美国芝加哥大学Guyot-Sionnest教授团队，在2011年报道了首个基于带间跃迁过程碲化汞胶体量子点中波红外光电探测器，并在该领域不断取得新进展，2019年实现了双波段短波红外及中波红外探测器的制备，在两个不同的波段提供了可偏置切换的光谱响应。而为解决量子点红外探测器批量化制备需求，突破传统外延红外材料产量及成膜均匀性瓶颈，2020年，北京理工大学光电学院郝群、唐鑫及陈梦璐团队首先提出并实现了一种高效的掩模式喷涂光刻技术。由此技术制备的六通道的柔性多光谱碲化汞胶体量子点探测器，可在光导型和光伏型模式下运行，且覆盖短波和中波红外响应波段，其峰值比探测率高于1011Jones，并且其噪声等效温差低至26.7 mK。以此为基础，该团队先后在可见光-短波红外双波段探测、短波红外-中波红外双模式探测及光学谐振增强的双色红外探测方面实现了突破（图1）。

　　图1 北京理工大学在硫汞族胶体量子点带间跃迁红外探测器方面的研究。（a）掩膜式喷涂光刻技术示意图 ；（b）胶体量子点薄膜在4英寸基片和玻璃半球上的照片；（c）掩膜式喷涂光刻技术和滴涂法制备的探测器的比探测率比较；（d）双波段器件结构图；（e）双波段器件的能带结构图；（f）双波段器件在正偏置和负偏置下的响应谱

　　2022年，北京理工大学团队进一步提出了一种胶体量子点双模式能带设计及叠层探测器结构，能够探测、分离和融合来自不同波长范围的光子（图2a）；利用三个垂直堆叠的胶体量子点同质结，经过控制偏置极性和大小，在同一个探测器上能轻松实现单波段短波红外成像和融合波段成像（图2b-c）；该团队创新性地提出了一种胶体量子点双波段红外光电探测器法布里-珀罗谐振腔的设计及集成方式，可以同时针对短波和中波红外提供光吸收增强（图2d）；图2e-i分别展示了探测器的一些实验结果及其在光谱仪、化学传感器和热像仪等应用方面的验证结果。

　　与碲化汞宽光谱吸收与探测不同，硒化汞量子点由于采用带内跃迁吸收方式，能轻松实现窄带光响应。2014年，美国芝加哥大学团队首次开发了基于硒化汞胶体量子点的带内跃迁型红外探测器，并在同年证实了强约束胶体量子点的量子态中存在稳定的载流子且实现了带内光致发光。2016年，法国索邦大学团队也开始了对胶体量子点性能的研究并在2022年利用中红外瞬时反射率测量方法揭开了硒化汞和碲化汞材料之间的耦合关系。

　　北京理工大学团队在2020年就提出了一种混合配体交换方法生产高迁移率的硒化汞胶体量子点薄膜红外探测器，与低迁移率硒化汞量子点探测器相比，响应速度及响应度提升了1000倍及55倍。在80 K时，比探测率达到了1.7×109Jones，与低迁移率器件相比，性能高出了一个数量级以上。团队基于此，开发了带内热成像相机以及二氧化碳气体传感器，其气体探测范围为0.25到2000 ppm （1 ppm = 1×10-6），灵敏度为0. 25 ppm。

　　红外-可见光上转换器件通过集成探测红外光子的红外探测器和激发可见光子的发光二极管，利用器件内部光-电-光的线性转换过程，避免了读出电路和复杂的电信号处理过程，能够直接可视化红外图像。尽管红外-可见光上转换成像技术因其显著的优势而得到了广泛关注，但针对低成本、宽光谱、高分辨率、高灵敏度红外上转换成像的研究，目前仍存在以下难点：

　　（1）红外探测波段范围主要局限于近红外波段，很难拓展至短波、中波，甚至长波等重要的红外波段；

　　（2）目前上转换器件红外探测单元和可见光发光单元只是简单堆叠，上转换器件灵敏度较差，只能探测激光强度的红外光，无法探测到自然界中微弱的红外。

　　基于以上挑战，2022 年北京理工大学团队开发了基于胶体量子点的红外-可见光上转换器件，该器件使用碲化汞胶体量子点作为红外光敏层，硒化镉/硫化锌胶体量子点作为可见光发光层，首次拓宽了红外上转换器件的探测波段范围到 2.5 μm短波红外，实现了短波红外到可见绿光的上转换，且此上转换器件的性能目前达到了领先水平。该研究表明，取代传统有机/无机材料的胶体量子点材料以及红外探测单元和发光二极单元的优化匹配方式为上转换技术中长期存在的挑战提供了潜在的解决方案。

　　胶体量子点相比传统红外块体半导体在加工工艺方面具有非常明显优势，能够最终靠滴涂或旋涂方式在硅基读出电路上制备红外探测器，不需要晶格匹配的分子束外延过程及复杂的倒装键合工艺，大幅度的降低了红外焦平面阵列探测器的制备成本。

　　近几年，北京理工大学团队在量子点焦平面阵列领域持续创新，形成了系列化成果如图3所示。该团队首先提出了一种与硅基读出电路完全兼容的捕获型光电探测器的设计。量子点与读出电路的耦合能够最终靠顺序旋涂工艺完成。与垂直光电二极管结构不同，捕获型光电探测器不需要额外的顶层电极，这大幅度的降低了读出电路成像器件的制造复杂性。为了获得最佳探测性能，采用了具有阻抗匹配的定制读出电路，在8英寸晶圆上进行晶圆级探测器制备。在此项工作中，团队系统研究了三种不一样的成像芯片，包括光导型、光伏型和捕获型探测器。

　　图3 硫汞族胶体量子点红外焦平面阵列研究。（a）捕获型光电探测器的工作原理示意图；（b）捕获型光电探测器的能带图；（c）8英寸晶圆制备和像素区域的放大视图；（d）捕获型成像仪获得的短波和中波红外图像

　　在过去的十年间，硫汞族胶体量子点从单点探测器到焦平面阵列都有着非常大的突破。但是，硫汞族胶体量子点体系还面临诸多挑战和亟待解决的问题。硫汞族胶体量子点作为一种液态半导体材料，无需倒装键合及像素对准，可与焦平面阵列读出电路表面像素电极实现直接电学耦合。与块状材料相比，硫汞族胶体量子点可以降造成本，扩大探测器的应用领域。总之，胶体量子点技术是低成本、高性能红外探测器技术发展的必然趋势之一，其相关研究成果将推动红外探测领域的发展，并在应用领域不断激发新的可能。