华中科大联合九峰山实验室突破短波红外成像技术新型材料方案开启低成本应用新时代

    2026年4月2日，华中科技大学与湖北九峰山实验室联合团队在高性能单片CMOS集成短波红外成像领域取得里程碑式突破，相关成果发表于国际顶级光学期刊《Matter&Light》。该研究创新性提出组分梯度驱动能带对准策略，成功解决传统短波红外探测技术成本高、集成复杂、稳定性不足等核心瓶颈，为自动驾驶、生物医学成像等领域提供低成本、可规模化的全新视觉方案。

    一、技术痛点：传统短波红外探测的四大桎梏

    短波红外（SWIR，波长13μm）成像作为机器视觉核心感知技术，广泛应用于自动驾驶、生物医学、工业检测等关键领域。然而，长期以来主流技术方案存在明显短板，制约产业普及：

    团队针对硫系化合物的技术瓶颈，提出垂直方向Bi组分渐变的创新解决方案，实现性能与稳定性的双重突破。

    二、核心突破：V型能带工程重构红外探测机制

    研究团队首创一步气相沉积构建垂直Bi组分渐变的(Bi,Sb)₂Se₃合金技术，通过能带工程实现三大核心功能突破：

    1.能带结构创新设计

    Bi取代Sb实现带隙连续调控，从1.17eV收窄至0.8eV，响应截止波长拓展至1.5μm，大幅拓宽探测范围

    构建本征V型能带结构，实现光吸收与载流子输运的高效协同

    三重核心效应：抑制光生电子反向扩散与界面复合、加速电子输运提升收集效率、增强整流特性抑制暗电流

    2.器件架构优化

    采用nonp光电二极管架构，结构为ITO底电极/P型(Bi,Sb)₂Se₃吸收层/n型SnO₂电子传输层/ITO顶电极，适配CMOS工艺集成需求。

    3.性能指标全面跃升

    在1300nm波长下，关键性能参数达到国际领先水平：

    响应度：518.2mA/W

    外量子效率：47.8%

    线性动态范围：102dB

    响应时间：0.32μs/3.07μs（上升/下降）

    三、集成创新：单片CMOS架构实现低成本规模化

    研究团队突破传统异质集成瓶颈，实现低于150℃低温工艺下的单片集成，构建两大创新成像系统：

    1.高性能短波红外焦平面阵列

    直接将(Bi,Sb)₂Se₃二极管沉积于640×512像素商用CMOS读出电路，无需复杂混合键合工艺，大幅降低制造成本与集成难度。

    2.双面光谱成像系统

    基于透明氧化物TFT背板制备64×64像素双面照明阵列，利用V型能带的波长选择性特性，实现：

    正面：全光谱成像

    背面：可见光选择性成像

    双面协同：光谱信息互补，提升目标识别精度

    四、应用价值：多领域开启技术变革新篇章

    该技术突破为短波红外成像的产业化落地提供关键支撑，核心应用场景包括：

    1.自动驾驶领域

    穿云透雾成像：穿透雾霾、雨雪等复杂气象条件，提升夜间/恶劣环境视觉感知能力

    精准路况识别：区分干燥/积水/冰雪路面，增强行车安全冗余

    成本优势：相比传统方案降低90%以上成本，加速车载系统普及

    2.生物医学成像

    深层组织观测：生物组织对短波红外光子散射/吸收显著降低，实现无标记深层成像

    临床诊断革新：癌症研究、组织功能评估、无创检测等领域开辟新路径

    3.工业与安防

    工业检测：穿透高温烟气监控设备运行状态、半导体内部缺陷识别

    安防监控：夜间/低照度环境下目标精准识别，提升安防系统全天候能力

    五、未来展望：普适性路径引领红外技术革命

    本研究不仅开发出(Bi,Sb)₂Se₃基高性能CMOS兼容短波红外成像系统，更构建了可拓展的能带工程方法，其价值体现在：

    1.材料体系拓展：可推广至硫系、IVVI族等多类合金体系，为红外光电子器件设计提供普适性路径

    2.产业生态重构：推动短波红外技术从高端专业领域向消费级市场渗透，赋能智能终端、物联网等万亿级产业

    3.技术迭代加速：低温CMOS集成工艺降低生产门槛，助力产业链快速成熟，开启红外视觉普惠化新时代

    华中科大与九峰山实验室的联合攻关，标志着我国在短波红外成像核心技术领域实现从跟跑到领跑的跨越，为全球光电子产业发展贡献中国智慧与中国方案。随着技术进一步成熟，低成本、高性能的短波红外成像设备将加速普及，深刻重塑智能感知产业格局。