湖北光谷實(shí)驗(yàn)室膠體量子點(diǎn)短波紅外成像芯片項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心教授高亮介紹，團(tuán)隊(duì)從數(shù)人起家，耐住寂寞，終于迎來了短波紅外成像技術(shù)“黃金期”，正為“中國(guó)造”芯片產(chǎn)業(yè)化提供強(qiáng)有力的科技支撐。
高亮前不久獲評(píng)2023年“湖北向上向善好青年”。
每個(gè)方向都有金字塔，最難的是堅(jiān)持
人類80%以上的信息是通過眼睛獲得，圖像感知是信息社會(huì)的主要入口，是消費(fèi)電子、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)支撐。看不見的光為什么能檢測(cè)出心跳心率？在華科大讀本科時(shí)，一次課程設(shè)計(jì)，讓高亮對(duì)紅外探測(cè)的“神奇”產(chǎn)生了濃厚的興趣。
相較于可見光成像，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，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，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，相關(guān)成果2022年發(fā)表于《Nature Electronics》。“芯片做出來的那一天，所有人都?xì)g欣鼓舞。我們一直堅(jiān)信，每個(gè)方向都有金字塔，最難的就是堅(jiān)持。”
膠體量子點(diǎn)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。多年來，高亮專注于膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)芯片的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，針對(duì)材料缺陷多、器件結(jié)構(gòu)不兼容、集成工藝不成熟等瓶頸問題，提出芯片材料液相外延鈍化新策略、設(shè)計(jì)制備新型頂入射器件、開發(fā)硅基一體化集成工藝。國(guó)內(nèi)首款膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)芯片與同類相比，外量子效率國(guó)際領(lǐng)先。
新一代開拓者幾乎全是年輕人
這款芯片的研發(fā)成功，距離全球量子點(diǎn)紅外探測(cè)器首次被論證，僅過去了10余年。2022年全球相關(guān)專利申請(qǐng)量激增，從中可見這項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展。
高亮介紹，從2018年的7、8人，到現(xiàn)在的60人，團(tuán)隊(duì)也飛速發(fā)展著。目前，唐江教授任首席科學(xué)家，高亮和華科大集成電路學(xué)院劉冬生教授、張建兵副教授是聯(lián)合創(chuàng)始人，團(tuán)隊(duì)中八成以上為碩博高材生。“他們是新一代短波紅外成像芯片開拓者。”高亮介紹，僅在量子點(diǎn)紅外探測(cè)芯片技術(shù)方向，團(tuán)隊(duì)已申請(qǐng)15項(xiàng)發(fā)明專利，獲授權(quán)7項(xiàng)，原型產(chǎn)品已初步應(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)等領(lǐng)域。
采訪當(dāng)天，博士生劉婧正在超凈實(shí)驗(yàn)室和伙伴們分析最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。她被團(tuán)隊(duì)成員稱為“大師姐”，因?yàn)樗趫F(tuán)隊(duì)待了八年，和團(tuán)隊(duì)一起成長(zhǎng)，科研方面也成果頗豐。“最大的收獲是在研發(fā)過程中接觸到多個(gè)鏈條的內(nèi)容，對(duì)全流程的認(rèn)識(shí)更清晰、更完整，也對(duì)我今后的發(fā)展更有信心。”
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，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)定性和效率問題，并拓展波長(zhǎng)和靈敏度方面可能的邊界。
