摘要
短波红外(Short-Wave Infrared, SWIR)成像在航天遥感、军事防卫以及复杂环境感知等领域优势显著，但其探测技术受到传统外延材料集成难、硅基器件光谱响应受限的制约。胶体量子点以溶液法低温成膜、与硅基互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)单片集成的特性，成为解决该问题的新途径。本文综述了SWIR探测中III-V族红外胶体量子点的研究进展，阐述了其主要优势及未来发展潜力，并分析了砷化铟、锑化铟量子点等材料在合成与表面化学、薄膜及器件制备中的关键难题与相应策略。在集成层面上，探讨了胶体量子点与CMOS集成的技术价值、发展现状以及商业化的关键瓶颈，并展望了其未来发展方向。
Abstract
Short-wave infrared (SWIR) imaging offers substantial advantages in aerospace remote sensing, military defense, and perception in complex environments. However, the development of SWIR detection technologies is constrained by the difficulty of integrating traditional epitaxial materials and the limited spectral response of silicon-based devices. Colloidal quantum dots (CQDs), featuring low-temperature solution-based film formation and monolithic integration on silicon-based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) platforms, have emerged as a promising route to address these challenges. This paper reviews the research progress of III-V infrared CQDs for SWIR detection, highlighting their major advantages and future development potential. It further analyzes the key challenges and corresponding strategies associated with synthesis and surface chemistry, film fabrication, and device construction of materials such as indium arsenide and indium antimonide quantum dots. At the integration level, the technological value, current development status, and critical bottlenecks for commercialization of CQD/CMOS integration are discussed, followed by an outlook on future development directions.
0 引言：SWIR需求与量子点的商业化机会及其驱动应用
SWIR(1~2.5 μm)成像技术在低照度、复杂天气以及强背景光条件下通常能够保持较高的成像质量和对比度，并可提供更丰富的材料光谱信息。相较于可见光和近红外波段，SWIR波段在复杂环境感知、多维信息获取和目标识别等方面展现出独特优势。基于上述优势，自动驾驶、机器视觉以及工业与生物检测等应用场景不断提升的探测需求，正持续推动探测技术由可见光/近红外向SWIR波段延伸。
目前，SWIR探测技术仍主要依赖铟镓砷(InGaAs)、碲镉汞(HgCdTe)等传统窄带隙半导体块材体系。尽管这类材料已广泛应用于高性能红外探测，但其外延制备工艺复杂，且与硅基读出电路的单片集成兼容性有限，不利于实现大面积、低成本和高像素阵列的规模化制造；相比之下，硅基器件则具备成熟的CMOS制造基础和显著的成本优势，但受限于材料本征带隙，其光谱响应范围通常难以超过1.1 μm，无法直接满足SWIR探测需求。因此，如何在性能、成本与集成度之间取得平衡，仍是当前SWIR探测技术发展的核心问题。
胶体量子点材料体系为解决上述问题提供了新的器件实现路径。与传统体半导体相比，量子点可通过溶液法在低温条件下制备，具有大面积加工、衬底兼容性好等优势，有望在CMOS读出电路后端实现直接集成，因此被认为是推动SWIR传感器向低成本、阵列化和芯片化发展的重要候选方案。
现有关于SWIR波段量子点的研究，主要集中于硫化铅(PbS)、碲化汞(HgTe)等较成熟材料体系，而对砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)等III-V族红外胶体量子点体系的系统梳理仍相对不足。例如，III-V族量子点在材料制备、表面调控和器件集成方面仍面临较多挑战，其发展潜力还有待从商业化和工程实现的角度加以评估。基于此，本文聚焦III-V族红外量子点在SWIR传感中的研究进展，从材料化学、器件实现与集成应用三个层面展开综述，并进一步讨论其商业化面临的关键瓶颈及未来发展方向。
1 SWIR探测技术的发展：从外延到溶液法
1.1 成熟外延平台与硅(Si)路线
高性能SWIR探测技术的发展主要以外延生长的窄带隙半导体材料为基础，其中以铟镓砷为代表的外延体系最为成熟。该体系的探测机理主要依托于带间跃迁机制，能够实现高效吸收以及优良的探测性能，因此在先进红外探测领域占据主流地位。然而，这类材料通常依赖磷化铟(InP)等特定衬底、外延生长和复杂异质集成工艺，制造成本较高；同时，受晶格失配及工艺温度等因素限制，难以与硅基CMOS直接兼容，很难向低成本、大面积和高像素阵列方向进一步拓展。与其相比，硅基器件具备成熟的制造工艺和显著的成本优势，是现代图像传感器产业的核心平台。但由于其本征吸收主要覆盖可见光至近红外波段，若要进一步拓展至SWIR波段，往往需要借助亚带隙吸收、缺陷态辅助跃迁或结构增强等方式来实现响应范围扩展[1-5]。这类方案虽然在原理上提供了硅基SWIR探测的可能，但通常存在吸收效率低、结构复杂和有效吸收路径受限等问题，不利于实现高填充因子和高一致性的像素阵列。对于面向成像的产业化应用而言，这意味着传统硅路线难以在保持CMOS制造优势的同时满足SWIR探测需求。
1.2 溶液法路线：面向阵列化的工艺范式
与外延法不同，溶液法制膜的优势在于低温成膜以及可大面积制造，能够在温和工艺窗口内与硅基读出电路实现后端工艺(Back-End of Line, BEOL)集成。对于图像传感器而言，这种将光谱响应材料层与CMOS读出电路在工艺上分离的策略，能够在保留成熟读出电路的同时扩展SWIR功能材料选择空间，并有望降低高分辨率阵列集成成本(见图1)[6-7]。由此，SWIR图像传感器的实现路径正逐步由围绕单一半导体材料定制工艺，转向在成熟CMOS平台上叠加功能吸收层的集成范式。
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胶体量子点驱动的SWIR光电探测与成像优势[6-7]：(a)大气透过率与人眼安全标准。SWIR在部分波段受益于更低的太阳背景(1.4 μm和1.9 μm附近的大气水吸收带)，且相较于可见光/近红外波段，人眼安全允许的最大暴露量显著更高，从而为远距离主动成像提供条件(如LiDAR)。(b)主要半导体材料的光谱覆盖范围。硅的响应受限于小于1.1 μm的波长范围，而InGaAs外延路线在成本与集成兼容性方面仍面临挑战；相比之下，量子点可通过尺寸调控实现SWIR范围内可调的光谱吸收。(c)集成范式对比。量子点有望通过溶液法工艺实现低成本的晶圆级单片集成，在CMOS读出集成电路(ROIC)后端进行沉积(上图)，为高分辨率SWIR成像传感器提供实现路径；传统外延探测器在与ROIC集成时通常需要复杂的倒装键合(下图)
在溶液体系中，红外胶体量子点由于带隙可调、溶液可加工以及与异质堆叠的良好兼容性，形成了较系统的SWIR技术路线。其光谱响应和薄膜电学性质可通过尺寸、组分及表界面工程进行协同调控，并可进一步构建适用于多波段响应和阵列集成的器件结构。
在器件形态方面，早期的红外量子点器件大多采用光电导结构，虽可获得较高响应，但通常伴随暗电流偏高、响应较慢和稳定性受限等问题。随着成像应用对低噪声、高速读出和阵列一致性的要求不断提高，研究重点逐渐转向更适合集成的光电二极管结构。由此，红外量子点器件研究也从实现SWIR响应进一步转向对不同材料体系在性能、稳定性、环境友好性和集成兼容性之间的综合权衡。
1.2.1 铅基/汞基量子点：较成熟量子点基准体系
硫化铅、硒化铅和碲化汞等铅基/汞基胶体量子点已在合成、配体交换、薄膜构筑以及器件设计等方面形成相对系统的研究体系，是当前用溶液法实现SWIR探测的重要参照。随着材料优化和器件工程的发展，其器件结构也由早期光电导逐步转向更适合阵列读出和像素级集成的光电二极管，并在部分关键性能指标上接近铟镓砷器件水平。
尽管如此，这类体系在工程化应用中仍受到明显限制。铅基量子点在热、氧气和湿度环境下易发生性能衰减，其长期稳定性仍高度依赖有效的表面钝化与封装策略；碲化汞体系则不仅对表面化学和薄膜输运高度敏感，还因汞元素受监管而面临更严格的环境与应用约束。因此，开发低毒、稳定且更具集成潜力的新型量子点体系，已成为后续研究的重要方向[8-9]。
1.2.2 无铅无汞量子点候选：III-V族量子点与银基硫属化物
在无铅红外胶体量子点体系中，III-V族量子点与银基硫属化物是当前受到较多关注的两类候选材料。相较而言，砷化铟、锑化铟等III-V族量子点由于具有更强的共价键合特征，通常被认为在材料稳定性、界面可控性以及与器件结构协同优化方面更具潜力，是替代铅基/汞基体系的重要无重金属路线(见图2)。近年来，砷化铟和锑化铟量子点器件已在近红外至SWIR波段展现出具有代表性的性能进展，表明III-V族体系正在由概念验证逐步走向性能与工艺的可持续优化。相比之下，Ag₂S及AgBiS₂等相关银基纳米晶虽可提供无铅红外响应，但受限于较强离子性所带来的热稳定性和输运稳定性不足，目前在SWIR传感中的系统研究相对较少。因此，下文将重点综述III-V族胶体量子点在SWIR传感中的研究进展。
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III-V族量子点的合成发展：(a)砷化铟量子点的两种主要合成路径，根据砷前驱体中砷的价态区分：三(三甲基硅基)砷((TMS)₃As)中的As(-III)和三(二甲氨基)砷(As(NMe₂)₃)中的As(III)。(b)基于连续注入-团簇生长策略合成1200~1500 nm范围内的砷化铟量子点[10]。(c)通过热注入法还原氨基砷前驱体时文献报道的还原剂及其还原能力[11]。(d)目前报道的主要锑化铟量子点合成路线。通常采用强还原剂，并结合程序升温或热注入策略，同时引入添加剂来调控生长速率[12]。(e)一价铟前驱体(In(I)Br)和油胺作为还原剂时制备出不同尺寸的锑化铟量子点[12]。(f)采用三乙基硼氢化锂(LiEt₃BH)作为还原剂，并通过高温热注入法获得更大尺寸的锑化铟量子点[13]
2 III-V族红外量子点：合成与表面化学的耦合难题
2.1 合成与表面钝化：从合成到可器件化薄膜
与硫化铅、碲化汞等已较成熟的体系相比，III-V族量子点具有更强的共价键特征，其表面化学因而表现出更高敏感性和更强“刚性”。对于砷化铟和锑化铟等窄带隙材料而言，表面悬挂键更易形成深能级缺陷，而局部氧化、化学计量和表面状态差异又会进一步加剧非辐射复合、点间耦合不足及薄膜输运受限等问题[14]。因此，III-V族红外量子点的核心挑战并不只是实现目标吸收波段，而在于同时兼顾尺寸与组分可控、表面可钝化、薄膜可加工以及器件性能可实现等多重要求。为此，III-V族量子点材料难以简单遵循“先合成、后修饰”的线性开发路径，而是前驱体反应、成核/生长动力学、表面终止与后续钝化相互耦合的协同优化过程。
在这一背景下，砷化铟量子点的合成研究主要围绕砷源活性调控与成核—生长过程分离展开(见图3)。一类路线采用高活性砷源，如三(三甲基硅基)砷和三(三甲基锗基)砷((TMS)₃As和(TMGe)₃As)，可实现快速成核和相对明确的成核—生长分离。然后结合连续注入或预制团簇前驱体等策略促进颗粒进一步生长[10,15]，为拓展砷化铟量子点吸收范围提供合成基础。但该路线对前驱体活性、反应窗口以及副反应控制高度敏感。另一类路线则采用活性较低的氨基砷前驱体，如三(二甲氨基)砷(As(NMe₂)₃)，并借助还原剂、卤化物或路易斯酸调节砷源活化速率和表面终止状态[16]。这一路线在安全性和工艺可控性方面更具吸引力，但也更容易面临成核—生长分离不足以及尺寸分布展宽等问题。总体而言，砷化铟量子点的合成难点不仅在于实现尺寸增长，更在于如何在大尺寸、窄分布和可钝化表面之间建立平衡。
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砷化铟(InAs)量子点光电探测器的发展路线：(a)激子吸收峰位于940 nm的砷化铟量子点通过与硫醇类配体进行交换来实现表面改性，从而调控量子点表面阴/阳离子比例[20]。(b)采用不同前驱体体系——三(三甲基硅基)砷和三(三甲基锗基)砷((TMS)₃As和(TMGe)₃As)合成的砷化铟量子点在经历相同配体交换处理后，器件表现出相近的光电性能，表明表面重构使该配体交换策略对前驱体路线具有一定普适性 [21]。(c)进一步使用溴化铟(InBr₃)与乙酸铵(NH₄Ac)进行配体交换，实现0 V下约30%的外量子效率(EQE)[22]。(d)在此基础上引入甲胺乙酸(MaAc)协同钝化，可进一步提升器件性能并增强量子点墨水稳定性[23]。(e)p型-本征层-n型(PIN)器件，相较于n型-本征层-p型(NIP)器件，表现出更好的工作稳定性[24]。(f)吸收边拓展至1080 nm的砷化铟量子点光电探测器：在空穴传输层中引入由2-巯基乙醇(2-ME)修饰的量子点层，实现了更高的器件性能[25]
相比之下，锑化铟量子点的合成仍处于更早期阶段(见图4)。由于锑前驱体选择有限，其从Sb(III)到Sb(-III)的还原过程复杂且难以精确调控，热注入过程中更易出现难以控制的爆发成核、缺陷富集和可重复性不足等问题。现有改进主要集中于通过调节还原剂活性，并结合卤化物或路易斯酸缓冲反应活性[17]，或者引入In(I)前驱体路线重构还原动力学，以提升尺寸可控性和合成重复性[12,18,19]。总体来看，III-V族量子点的难点首先体现在材料合成与表面化学层面，而这些基础问题将直接制约其后续薄膜构筑与器件性能提升空间。
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锑化铟(InSb)量子点光电探测器的代表性进展：(a)激子吸收峰位于1380 nm的锑化铟量子点通过两步固态配体交换实现表面改性并改善电荷输运；(b~c)两步固态配体交换后器件的J-V特性与外量子效率(EQE)光谱[26]；(d~e)采用不同硫醇配体(2-巯基乙醇与3-巯基-1,2-丙二醇)进行液相配体交换，在0 V下实现了约3.2%的外量子效率[13]；(f~g)通过合成阶段调控表面化学，并结合固态配体交换，获得了激子吸收峰位于1380 nm的锑化铟量子点器件(外量子效率约为33%) [17]；(h)用热注入法合成的锑化铟量子点光电探测器的结构及性能表现[27]
2.2 薄膜光物理与器件：载流子产生、输运与抽取
对于砷化铟和锑化铟等窄带隙III-V族量子点，外量子效率、暗电流和响应速度等器件指标受到表面态、界面态以及点间耦合的共同制约。深陷阱会增加陷阱辅助的慢复合过程，从而抬升暗电流和低频噪声；陷阱态的缓慢释放过程导致响应拖尾；而耦合不足则会限制载流子输运和零偏压抽取效率。
因此，III-V族量子点器件性能的提升难以通过单一参数优化实现，而更依赖于围绕表面缺陷、量子点耦合和器件界面展开的协同调控过程。结合图3和图4可知，现有研究主要围绕四个相互关联的方向展开：(1)通过去氧化和表面化学计量重构减少深能级缺陷；(2)通过卤化物、有机配体等协同钝化策略降低非辐射复合、暗电流和噪声，并改善量子点墨水与薄膜稳定性；(3)在保持有效钝化的前提下增强点间耦合，以提升迁移率和电荷抽取效率；(4)借助能级匹配、阻挡层和PIN/NIP结构设计抑制注入型暗电流，并提升零偏压下工作性能与动态响应。
砷化铟量子点探测器的发展已逐步形成较清晰的技术路线。早期工作的重点首先在于通过配体交换实现可器件化薄膜，并建立稳定的光电二极管结构。2021年，Choi M J等利用硫醇类短配体对砷化铟量子点进行配体交换，获得表面化学计量更均衡的量子点薄膜，并实现砷化铟量子点光电二极管构筑；在930 nm处获得36%的外量子效率和纳秒量级响应[20]。这一工作确立了液相配体交换制备砷化铟量子点薄膜的基础工艺，但也暴露出器件在零偏压下载流子抽取效率不足、性能较依赖外加偏压等问题。随后，研究重点转向钝化、耦合与界面协同优化。Sun B等采用溴化铟与醋酸铵对砷化铟表面进行无机卤化物处理，在降低表面缺陷的同时增强量子点间耦合，并通过引入氧化钼阻挡层抑制注入型漏电流，从而改善暗电流和零偏压性能[22]。进一步地，Xia P等通过X-型与Z-型配体协同钝化，在不显著削弱载流子输运的条件下降低陷阱态与复合损失，使砷化铟器件在950 nm附近获得更高的外量子效率和探测率[23]。
随着砷化铟器件响应波段向更长波长方向延伸，器件优化的重点进一步由单纯的陷阱抑制转向表面晶面管理、能级排列和吸收层设计等系统问题。针对较大尺寸量子点暴露特定晶面所带来的表面缺陷，混合卤素和合成阶段配位调控被用于改善表面终止并降低复合中心；针对界面失配与载流子抽取不平衡，功能分子修饰和界面工程被用于提升载流子抽取效率；而在光学设计方面，增厚吸收层和优化器件电容及RC时间常数也被用于同步提升外量子效率与动态响应。总体来看，砷化铟器件的发展主线已由实现可器件化薄膜，转向围绕缺陷、耦合与结构的协同优化，并开始向更高的零偏压外量子效率、更高稳定性和更接近阵列集成需求的方向推进。
相比之下，锑化铟量子点探测器仍处于从器件初步实现走向可稳定优化的阶段，其性能提升更依赖于材料质量、去氧化/强钝化与成膜工艺的同步成熟。由于锑化铟本征带隙更小且表面更易氧化，其合成后表面往往伴随较多氧化物和杂质相。这些因素既会引入深陷阱，也会削弱点间耦合，从而同时增加暗电流控制难度并限制电荷抽取效率。因此，锑化铟器件优化首先建立在表面重构和缺陷抑制之上。例如，Zhang Y等采用级联式固相配体交换策略，先通过有机酸去除表面氧化物，再利用四丁基碘化铵(Tetrabutylammonium Iodide, TB-AI)进行卤化物钝化，从而显著减弱氧化物相关信号、改善薄膜迁移率并降低陷阱密度，最终在典型二极管结构中实现了1.4 μm附近较有代表性的25%外量子效率、1011 Jones量级探测率以及微秒量级响应[26]。
进一步研究表明，锑化铟器件的性能提升空间仍高度受限于量子点本身的尺寸分布、化学计量与表面完整性[33]。除后处理外，也有工作尝试在合成阶段引入核壳或异质结构设计(如InSb/InP、InSb/InAs及相关壳层体系)，以同时降低表面陷阱并改善载流子抽取[27-28]；但壳层厚度和势垒设计需精细控制，否则可能会对电荷输运造成额外阻碍。与此同时，除了液相配体交换和短配体替换之外，也有工作通过与砷化铟构筑异质吸收层或体异质结来提升成膜均一性和缓解输运限制[29]。总体上看，锑化铟相关研究虽已展现出多种优化思路，但其性能仍明显依赖材料本征质量与表面去氧化程度，尚未形成如砷化铟体系那样相对系统的优化路径。
3 量子点与CMOS图像传感器集成
3.1 量子点-CMOS的集成价值与发展现状
相较于外延III-V族或锗基路线，量子点最具代表性的优势在于其与CMOS平台的单片集成潜力。基于后端工艺，量子点吸收层可沉积在读出电路之上并构建像素堆栈，从而有利于在高填充因子像素架构下复用成熟的CMOS读出电路[30-31]。这种集成方式使SWIR成像的实现路径由围绕特定外延材料重构整套器件工艺，转向在既有CMOS平台上集成功能吸收层。这不仅保留了成熟硅基像素在寻址、放大和读出方面的优势，也为小像素、高分辨率和单片异质集成提供了新的实现空间。对于图像传感器而言，这种将吸收层与读出电路分离设计的制造思路，是量子点-CMOS相较于传统外延路线最具代表性的系统性优势。
近年来，量子点-CMOS图像传感器在研究与产业化层面均呈现快速推进趋势(见图5)。相关工作不仅验证了量子点吸收层与CMOS读出电路单片集成的工艺可行性，也开始在晶圆级均匀沉积、像素级器件构筑和传感器读出架构等方面建立较完整的技术验证路径。相关研究表明，该路线已由早期单器件和小规模阵列验证，逐步扩展至面向工业成像及潜在消费电子场景的图像传感器开发。代表性工作包括全局快门量子点图像传感器、面向工业检测的SWIR成像设备，以及围绕读出策略、单片集成工艺、无铅材料体系和砷化铟量子点图像传感器的持续推进。总体来看，量子点-CMOS已由实验室单器件验证迈向传感器级验证，开始进入传感器级性能与工艺协同优化阶段。也正是在这一阶段，其进一步发展不仅取决于能否实现SWIR响应，更多取决于一系列工程化问题能否得到系统解决。
3.2 四个关键难题：可靠性、暗电流与噪声、时间域伪影、量产工艺兼容性
面向商业化应用，量子点-CMOS图像传感器仍面临四类彼此耦合的关键瓶颈，即可靠性、暗电流与噪声、时间域伪影以及量产工艺兼容性。其中，可靠性决定器件寿命与工作稳定性，暗电流与噪声显著影响低照度性能和有效动态范围，时间域伪影直接影响成像质量，而量产工艺兼容性则会制约晶圆级沉积、一致性控制以及后端工艺窗口。更重要的是，这些问题并非彼此孤立：可靠性退化往往伴随暗电流上升和时间域伪影加重，而量产流程中的温度、污染和工艺约束又会反过来限制材料、配体和界面处理的可选路径。
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量子点-CMOS图像传感器的进展：(a~b)前照式(左)与背照式(右) CMOS图像传感器的结构示意图[6]。(c) PbS胶体量子点图像传感器的正面图像[44]。(d)基于量子点的图像传感器截面结构示意图以及砷化铟像素堆栈的扫描电子显微镜截面图[32]。(e)砷化铟量子点图像传感器在使用940 nm光学带通滤光片条件下拍摄的图像(左)，以及同一目标由可见光RGB相机拍摄的参考图像(右) [33]。(f)微腔量子点光电探测器的光谱：每个峰对应一种具有不同超表面的器件[34]
表1汇总了已公开量子点-CMOS图像传感器的关键指标(𝜆peak定义为量子点第一激子吸收峰对应的波长)，用于给出领域整体量级对比情况。表中强调Emberion VS20与SWIR Vision Systems Acuros 1920 Standard SWIR等代表性产品，但不覆盖各公司的全部产品线；IMEC仅纳入其最新发表且专门讨论时间伪影的工作；ICFO/Qurv以碲化银为重点，因为其为首个无铅量子点图像传感器报道。
在可靠性方面，已有研究表明，在偏置、光照以及温湿环境应力的共同作用下，量子点表面钝化和界面状态可能老化，从而引发暗电流升高、响应度下降和响应变慢等性能衰退，但系统化寿命数据仍相对稀缺[35-38]。现有少数图像传感器级的结果可作为参考：已有研究报道，相关量子点器件在面向主动照明的短积分时间工作条件下，可满足85 ℃/85%RH、500 h的可靠性目标[8]；也有更系统的85 ℃/85%RH、1000 h的加速老化结果显示，器件在老化后会出现暗电流升高、外量子效率下降和响应变慢等现象[39]。总体来看，量子点-CMOS图像传感器的可靠性正逐步接近应用门槛，但在积分时间、偏置方式、光照应力以及老化前后瞬态响应与时间域伪影表征等方面还缺乏统一测试规范，因此仍是商业化优先级最高的问题之一。
表
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已公开量子点-CMOS图像传感器的关键指标
注：1. ST是ST Microelectronics的缩写；2. 仅IMEC PbS产品标注图像残留(la𝗀)为5%；3. HUST为华中科技大学缩写；4. BIT为北京理工大学缩写;5. Qnsemi已收购SWIR Vision Systems(SWIR VS)
在暗电流与噪声方面，当前代表性量子点器件在NIR/SWIR波段的外量子效率通常已达到或超过50%，在光电转换效率方面也接近成像应用所需水平，真正限制综合性能的更多是暗电流及其相关噪声[47-48]。已有报道表明，量子点器件的暗电流通常仍高于成熟的硅基NIR探测器和InGaAs SWIR探测器的典型水平[48-49]。机理上，缺陷辅助复合被认为是暗电流升高的重要来源之一；相关噪声谱结果则表明，器件噪声往往受产生-复合噪声限制，进一步反映出陷阱辅助复合中心的重要影响[44]。因此，降低陷阱密度仍是提升量子点-CMOS性能的核心路径。这既依赖高质量量子点材料的制备，也依赖更稳定有效的表面钝化与界面工程。
时间域伪影是量子点-CMOS最容易在单器件表征中被低估却又对成像质量影响显著的问题之一。学术研究中通常以脉冲响应90%~10%下降时间表征器件速度，但这一指标主要反映迁移率和电阻电容响应等快过程；而成像中的图像滞后(la𝗀)和重影(ghosting)通常与10%以下的长尾残余信号密切相关，其时间尺度可比主下降沿长1~2个数量级，并多与陷阱辅助的脱陷过程、界面态及离子迁移等慢过程相关[50-51]。已有传感器级时间域数据仍然有限，但现有结果表明，图像滞后在低照度条件下更为明显。值得注意的是，当前针对重影的专门研究仍相对缺乏，但若要实现真正具有商业可行性的产品，这一问题必须被系统纳入器件与传感器评价体系，尤其应结合加速老化前后的时间域测试进行分析。
除了器件性能本身之外，量产工艺兼容性同样是制约量子点-CMOS图像传感器走向量产的核心要素。量子点的单片集成通常需要在后端工艺阶段完成吸收层沉积与像素堆栈构建，并进一步实现顶电极、滤光片和微透镜等像素堆栈结构。因此，这一路线不仅要求吸收层具备晶圆级沉积均匀性，还必须满足低污染、低温加工以及与标准光刻流程兼容等制造约束。对于面向200/300 mm晶圆的集成制造而言，主要挑战包括沉积均匀性与光响应非均匀性的控制、材料和金属污染的限制，以及对≤150 ℃工艺窗口的适配[39]。已有工业与中试层面的结果表明，这些问题并非不可克服，量子点吸收层在大面积制造和图像传感器集成方面已取得初步进展[8]。然而，从学术验证走向稳定量产，工艺开发仍需更充分地面向晶圆集成化的标准进行设计，而不能停留在以器件性能最优为导向的实验室工艺路径上。
总体来看，上述四个问题共同构成了量子点-CMOS图像传感器从实验室原型走向实用化产品的核心门槛，也为后续材料体系的筛选和集成路线的优化提供了明确的评价标准。
3.3 无铅图像传感器：III-V族量子点带来机遇
目前，量子点图像传感器仍以硫化铅体系为主，主要因为其SWIR吸收特性明确，且器件工艺相对最成熟。然而，铅属于受限有害物质元素，因此发展无铅量子点图像传感器已成为重要的产业发展方向。尽管近年来部分无铅量子点在单器件层面的关键指标已接近硫化铅体系，但与图像传感器级的稳定制造和系统集成相比仍有明显差距[24,26,52]。
现阶段，银基量子点图像传感器提供了无铅成像可行性的直接验证。相关工作已报道硫化银量子点图像传感器，证明了无铅量子点实现图像传感器级集成的可行性，且具有代表性意义。然而，从器件表现看，其外量子效率仍低于硫化铅量子点体系，暗电流更高，且在热负载下退化更明显，说明银基体系虽然完成了图像传感器级验证，但总体上仍处于工程化早期阶段[46]。
相比之下，III-V族量子点，尤其是砷化铟和锑化铟，通常被认为是更具潜力的无铅CMOS-SWIR路线。已有研究与产业机构开始推动砷化铟量子点图像传感器的初步验证。尽管现阶段性能仍低于硫化铅量子点体系，且部分关键参数尚未充分披露，但其已显示出由单器件研究迈向图像传感器级集成验证的趋势[32-33]。
4 结论与展望
总而言之，量子点为SWIR探测提供了低温成膜和晶圆级制造的实现路径，可在BEOL条件下与成熟CMOS读出电路单片集成，有望支持高填充因子像素架构并扩展响应波段，同时具备多波段与光谱成像的材料可编程潜力。目前，硫化铅、碲化汞等重金属量子点已建立较完整的研究基础，但环境与法规约束使无铅体系成为明确的发展方向。在无铅体系中，III-V族量子点已展现出一定的单器件潜力，但仍需在材料可控性、量子点墨水与薄膜稳定性、工艺窗口与重复性等方面，建立稳定、可复现的技术体系。与此同时，量子点-CMOS已由单器件验证推进至传感器级集成探索阶段，但其进一步实用化仍受可靠性、暗电流与噪声、时间域伪影以及工艺兼容性等因素制约。未来需围绕材料、器件与工艺协同优化，建立可重复、可集成、可制造的技术体系，推动量子点SWIR图像传感向规模化应用发展。
致谢
感谢苏州国家实验室开放重点课题(SZLAB-1308-2025-ZD012)和新基石科学基金会的资助。