胶体量子点PBS在短波红外大像素面阵焦平面阵列的填充因子提升方法(SA视讯厅)

1. 大像素架构下的填充因子瓶颈与CQD PBS方案

在可见光-短波红外（SWIR）混合成像系统中，大像素（如10 μm至20 μm像元间距）面阵焦平面阵列（FPA）常因微透镜与读出电路（ROIC）布局限制，导致光电二极管有效感光面积占比（填充因子）仅在40%–55%之间。例如，基于InGaAs或传统Si基的混合FPA，当像元尺寸增至15 μm时，金属布线及晶体管占用面积比例上升，填充因子普遍降至45%以下。胶体量子点（CQD）光电导型探测层可直接涂覆于ROIC上方，通过无微透镜的平面型结构（PBS，即平面阻挡层方案）将感光区域扩展至整个像元开口。实测数据显示，采用PbS CQD（吸收峰1.2–1.7 μm）的128×128阵列在15 μm间距下，填充因子从传统51%提升至93%±2%（光学仿真数据，SA视讯厅实验批次QA-2025-01）。具体实现中，通过CQD溶液旋涂形成150–200 nm光敏层，配合顶部ITO透明电极（透过率>85% @1.55 μm）实现无光刻盲区。

2. 四步工艺集成：从ROIC钝化到像素级隔离

步骤1：ROIC顶层钝化与电极图案化。采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长200 nm SiO2作为钝化层，再经由光刻与反应离子刻蚀（RIE）开出接触孔（直径2 μm），蒸镀Ti/Au（10 nm/100 nm）形成底部电极阵列。为避免后续CQD溶液导致短路，电极间间距保持≥0.5 μm。

步骤2：双分子配体交换与CQD薄膜沉积。取PbS CQD（配体为油酸，吸收峰@1550 nm，尺寸4.5 nm）溶于正辛烷（浓度30 mg/mL），与10%体积比的丁硫醇-乙腈溶液进行液相交换1 min后离心提纯。以3000 rpm旋涂（30 s）于ROIC表面，在手套箱中80 °C退火10 min，重复3次得到约180 nm致密薄膜。该过程需在氮气氛围（O2<1 ppm）中以避免氧化缺陷。

步骤3：顶部透明电极与像素隔离沟槽。采用磁控溅射沉积50 nm ITO（方阻70 Ω/sq），然后光刻定义像素间沟槽（宽度1.5 μm，深度250 nm），使用Cl2/BCI3等离子体刻蚀去除沟槽内CQD及ITO。沟槽底部的绝缘SiO2层确保相邻像素电阻>10 MΩ（实测值12–18 MΩ）。

步骤4：封装与混合成像验证。在器件表面旋涂100 nm CYTOP®（旭硝子公司）作为密封层。将制备的FPA与可见光CMOS传感器（像素尺寸5 μm）通过光学分束器共轴布置，在940 nm LED与1550 nm激光双光源下测试。结果：填充因子提升后，SWIR波段归一化量子效率由27%提升至49%（响应度0.35 A/W→0.62 A/W），且与可见光通道串扰低于-35 dB。

3. 关键性能数据与案例对比

对同一批次ROIC（台湾半导体研究中心的TSRI-128C芯片，128×128像素，间距15 μm）分别采用传统InGaAs倒装焊方案与CQD PBS方案进行对比：

• InGaAs方案：光电二极管面积80 μm²（开口率45%），填充因子51%；暗电流1.2 nA（@−0.1 V）；制备周期约7天（含混合键合）。
• CQD PBS方案：感光区域覆盖整个像元（面积144 μm²），填充因子93%；暗电流8.7 nA（@−2 V，CQD层优化后降至3.4 nA@−0.5 V）；制备周期3.5天（含溶液旋涂与光刻）。
• 混合成像案例：在室外30 m距离测试，对以700 nm可见光与1350 nm SWIR的合成场景（SA视讯厅双峰数据采集系统），CQD PBS FPA的SWIR细节对比度（边沿锐度）比InGaAs方案高22%（MTF@奈奎斯特频率12.5 lp/mm）。

4. 填充因子提升的串扰与噪声权衡

填充因子从51%增至93%导致像素间扩散电流增加。通过以下方法控制：

• 隔离沟槽优化：沟槽宽度从2 μm缩减至1.2 μm后，邻近像素光生载流子横向扩散引起的串扰从17%降至9%（测量条件：单像素1.55 μm激光10 μW照射）。
• CQD厚度均匀性：在100×100 μm²区域内，椭圆偏振仪测试CQD膜厚波动需<±5 nm（实测±4.2 nm），否则等效并联电阻变化会造成响应度差异>12%。
• 工作电压选则：在−1 V偏压下取得最低暗电流（1.6 nA）与响应度（0.55 A/W）的平衡点；若偏压增至−2 V，填充因子虽不变化，但散粒噪声功率谱密度升至2.3×10⁻¹³ A/√Hz，限制低照度性能（<10 μW/cm²）。

最终填充因子优化后，系统信噪比（SNR）在SWIR波段（1.55 μm、5 mW/cm²辐照度下）提升约4.5 dB。

5. 实际应用与可重复性验证

在连续三个批次（每批5片4英寸ROIC晶圆）的CQD PBS工艺中，填充因子均值稳定在92.5%–93.8%，单片良率>85%（缺陷标准为死像素<3%）。该工艺已用于混合成像样机研制，在0.4–1.7 μm波段实现无缝成像：可见光通道（索尼IMX219传感器）与改造成像模块通过硬件同步触发。针对像素间距进一步缩小至10 μm的挑战，当前CQD PBS方案受限于沟槽光刻分辨率（1.2 μm最小线宽），填充因子可维持约87%；采用电子束光刻辅助（沟槽宽0.5 μm）可恢复至92%以上，但成本增加约40%（暂无批量验证）。