利用顛覆性技術(shù)膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)成像做成的“視覺(jué)芯片”及芯片封裝模組裝到手機(jī)、檢測(cè)器上，可以“穿透”介質(zhì)，看到肉眼看不到的“真相”。

一枚僅硬幣大小的芯片如“火眼金睛”，能探測(cè)更遠(yuǎn)更精。同時(shí)讓人驚喜的是，它的成本可降至傳統(tǒng)短波紅外成像技術(shù)的百分之一！湖北光谷實(shí)驗(yàn)室日前傳來(lái)好消息，其聯(lián)合華中科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系列膠體量子點(diǎn)成像芯片實(shí)現(xiàn)短波紅外成像。目前已完成中試，性能優(yōu)越，成本極低，有望顛覆傳統(tǒng)市場(chǎng)。


“冷板凳”一坐就是10年

“不要看這一顆顆小小的芯片，它們價(jià)值不低，一顆可以賣到5000至1萬(wàn)元。”光谷實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合創(chuàng)始人、華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心教授高亮指著自己團(tuán)隊(duì)研發(fā)的產(chǎn)品，自豪地介紹。高科技的背后，是半導(dǎo)體光電相關(guān)的原理，“它是用膠體量子點(diǎn)，把紅外光給吸收了，然后把它變成電子，電子再被這個(gè)讀數(shù)電路進(jìn)行處理，最后得到紅外的圖像。”

膠體量子點(diǎn)（CQD）紅外探測(cè)芯片技術(shù)正在向第三代微型、高性能和低成本的方向發(fā)展，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)芯片技術(shù)彎道超車的突破口。

12年前，高亮是華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院院長(zhǎng)唐江教授的博士生，出于自己的喜好和判斷，他并沒(méi)有選擇當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體國(guó)際前沿領(lǐng)域的熱門(mén)方向。

“新的、火熱的科研，也許發(fā)論文會(huì)更容易，但我對(duì)半導(dǎo)體新材料電子器件更感興趣。”高亮稱，讀書(shū)時(shí)，他選擇了在二維材料半導(dǎo)體、鈣礦半導(dǎo)體、硫金屬氟化物等領(lǐng)域“坐冷板凳”。興趣是最強(qiáng)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，大三時(shí)，高亮做了一個(gè)課程設(shè)計(jì)“用光電的形式測(cè)自己的心跳”，讀研時(shí)候，高亮覺(jué)得“紅外光一般人也看不到，但它有那么多功能，我要一直跟下去。”

基于量子點(diǎn)材料做紅外探測(cè)器的方式，隨后，他跟隨師兄們做了大量的研究實(shí)踐。“博士期間去了這個(gè)技術(shù)的鼻祖多倫多大學(xué)，看到國(guó)際最新的發(fā)展趨勢(shì)，也更堅(jiān)定了自己要在這條路上一直走下去的決心。”回過(guò)頭來(lái)看，高亮的產(chǎn)學(xué)研經(jīng)歷，正是一條“以用為導(dǎo)向”的科研成果轉(zhuǎn)化之路。


突破五大關(guān)鍵環(huán)節(jié)

相較于可見(jiàn)光成像，短波紅外成像具有可穿云透霧、可透視硅片等顯著優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防、安全監(jiān)控、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。12年前，高亮成為華科大光學(xué)與電子信息學(xué)院院長(zhǎng)唐江教授的博士生，更堅(jiān)定了自己的研究方向。“雖然當(dāng)時(shí)這并非熱門(mén)方向，發(fā)論文也不太容易，但老師鼓勵(lì)我，只要認(rèn)準(zhǔn)了，堅(jiān)持下來(lái)，更有價(jià)值和意義。”

紅外成像技術(shù)涉及材料、器件、集成電路等多方面，研發(fā)周期長(zhǎng)，需要人員多。高亮介紹，近年來(lái)，紅外成像技術(shù)，尤其是量子點(diǎn)紅外成像呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。成像芯片是成像系統(tǒng)最核心部件，對(duì)成像質(zhì)量以及相機(jī)成本起著決定性作用。傳統(tǒng)銦鎵砷短波紅外芯片造價(jià)極其昂貴，使得短波紅外相機(jī)均價(jià)高達(dá)20余萬(wàn)元，嚴(yán)重制約著市場(chǎng)增長(zhǎng)特別是消費(fèi)應(yīng)用。

2018年，高亮團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了膠體量子點(diǎn)，這是一種新興納米材料，他們通過(guò)低溫的溶液法制備工藝，探索適于自動(dòng)化制備的最佳窗口，實(shí)現(xiàn)可與硅基芯片一體化集成的量子點(diǎn)短波紅外成像芯片。

功夫不負(fù)有心人，無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)終于有了收獲，他們成功研制出國(guó)內(nèi)首款膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)芯片。聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)先后突破了材料-器件-電路-集成-系統(tǒng)5個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，突破傳統(tǒng)工藝限制，開(kāi)拓全新工藝路線，低溫一體化集成，開(kāi)發(fā)研制出國(guó)內(nèi)首款量子點(diǎn)紅外成像樣機(jī)，售價(jià)將只有國(guó)外的1%，成本大大降低。


“從1到10”成果轉(zhuǎn)化落地

目前，產(chǎn)品訂單已遍布全國(guó)，南方科技大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和國(guó)內(nèi)消費(fèi)級(jí)龍頭模組企業(yè)均向光谷實(shí)驗(yàn)室“拋下橄欖枝”。

穿云透霧，面向手機(jī)模組、車載相機(jī)等消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，該產(chǎn)品已申請(qǐng)十五項(xiàng)發(fā)明專利，已獲授權(quán)七項(xiàng)。產(chǎn)品已應(yīng)用在車載應(yīng)用、水果分揀、物質(zhì)檢測(cè)、半導(dǎo)體檢測(cè)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。“僅一二個(gè)月，我們就銷售了50多萬(wàn)，今年預(yù)計(jì)將達(dá)到1000萬(wàn)以上。”看可見(jiàn)光之未見(jiàn)，開(kāi)辟短波紅外新時(shí)代！高亮和團(tuán)隊(duì)對(duì)未來(lái)充滿了期待。

光谷實(shí)驗(yàn)室注重“從1到10”的科研成果轉(zhuǎn)化落地，針對(duì)性組建了“科學(xué)家+工程師”聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，高亮團(tuán)隊(duì)就有8名工程師。工程師孫磊去年4月來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，此前他在華為工作了4年多。“團(tuán)隊(duì)基本都是90后，大家很有活力，很有想法，很有沖勁，光谷實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也還不到3年，機(jī)制很靈活，在這里拼博，我很有成就感。”

高亮自豪地說(shuō)，團(tuán)隊(duì)有明確的目標(biāo)，同時(shí)互補(bǔ)性高，不同成員具有材料、器件、電路、集成等不同的技術(shù)背景和能力，能夠形成強(qiáng)大合力。目前，已有企業(yè)來(lái)洽談成果產(chǎn)業(yè)化事宜，他們還將全力解決量子點(diǎn)紅外光傳感器的穩(wěn)定性和效率問(wèn)題，并拓展波長(zhǎng)和靈敏度方面可能的邊界。