【深度】量子點紅外探測成像技術(shù)發(fā)展趨勢及相關(guān)專利分析
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量子點紅外成像技術(shù)概念
量子點（Quantum dots，QDs）是具有尺寸可調(diào)特征的1-20nm的半導(dǎo)體納米晶體，在可見光和紅外波長范圍內(nèi)具有較強的光吸收和明亮的窄帶****。
膠體量子點（Colloidal quantum dot，CQDs），量子限域效應(yīng)明顯，液相加工工藝使得其可以與硅基讀出電路進行直接片上耦合，紅外成像器件通過集成探測紅外光子的紅外探測器和激發(fā)可見光子的發(fā)光二極管，利用器件內(nèi)光-電-光的線性轉(zhuǎn)換過程，避免了讀出電路和復(fù)雜的電信號處理過程，能夠直接可視化紅外圖像。
量子點的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進行調(diào)整。量子點材料包括：Cd（鎘）基、In（銦）基、PbS（硫化鉛）、Perovskite（鈣鈦礦），以及新興的CuInS2（硫銦銅）、InAs（砷化銦）、ZnTeSe（硒鎘汞）。它們具有不同的帶隙，因此具有不同的吸收和****光譜的能力。
在性能與InGaAs芯片相當?shù)那疤嵯?，基于量子點的成像芯片的成本不到其1%，有望實現(xiàn)短波紅外成像在消費級領(lǐng)域的應(yīng)用。
量子點紅外成像技術(shù)發(fā)展歷史
?光電導(dǎo)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于1873年的海底電纜絕緣層實驗。1917年，第一個紅外光電導(dǎo)探測器被研制出來。
?1981年和1983年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Alexei Ekimov和美國科學(xué)家Louis Brus分別獨立發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)。
?量子點在光電探測中的首次嘗試是在 1992 年，當時膠體量子點被視為絕緣膠體，作為一種感光劑應(yīng)用于電子照相技術(shù)中。
?1993年，美國麻省理工學(xué)院Moungi G. Bawendi教授帶領(lǐng)的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點的大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)打開了大門。
?1998 年，量子點紅外探測器（QDIPs）首次被論證。
?2003年，“固態(tài)配體交換”的方法被提出，為膠體量子點在光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。
?2005年，多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授發(fā)表了第一篇短波紅外膠體量子點混合光探測器。2009年，西門子和奧地利林茨大學(xué)合作研發(fā)出PbS膠體量子點探測器。至此開始 PbS CQD 探測器的研究在近十年的時間內(nèi)成為該研究領(lǐng)域的新寵。
?2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens課題組通過使用石墨烯及PbS量子點晶體管結(jié)構(gòu)，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規(guī)模388×288，像元間距35μm。
?2022年，華中科技大學(xué)報道了一種基于PbS量子點的近紅外焦平面陣列，并展示了940nm光照下的成像效果。
?近年來具有優(yōu)異光電性能的量子點材料在硅基探測器的集成中已經(jīng)有了一定的成果，為硅基探測器性能的提升提供了新的思路。雖然量子點增強硅基探測器已經(jīng)收獲較好的效果，但仍存在一些機遇與挑戰(zhàn)。例如專用材料缺乏，存在集成工藝問題以及需要開發(fā)與之匹配的先進的成像算法等。
量子點紅外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1
中美是量子點紅外成像領(lǐng)域的主要目標市場國
紅外成像技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，而量子點紅外成像將極大地擴展其應(yīng)用可能，近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。
根據(jù)相關(guān)專利數(shù)據(jù)（申請年2005以后），將量子點應(yīng)用于紅外探測的技術(shù)從2005開始興起，最早開始布局且為該領(lǐng)域TOP1的申請人InVisage公司，隨后呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長趨勢；2011年左右數(shù)量激增，在2019-2020年左右，部分歐美相關(guān)技術(shù)企業(yè)已經(jīng)完成專利布局，專利申請數(shù)量略有下降。
隨著中國加入該項技術(shù)的投入和研究中，該領(lǐng)域的中國申請人近幾年的相關(guān)專利布局量整體呈現(xiàn)較為明顯的增長，說明該領(lǐng)域的主要申請人仍十分注重該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和專利布局。
圖1：申請人排名分析
該領(lǐng)域中，國外申請人擁有較多早期專利申請，相對國內(nèi)具備一定的領(lǐng)先能力。
該領(lǐng)域TOP10申請人中，國外申請人占據(jù)8席，其相關(guān)專利布局時間較早且近幾年呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的一定專利申請量；國內(nèi)主要申請人在該領(lǐng)域的布局整體較晚，且主要在2022年左右開始激增，說明國內(nèi)主要申請人近年來對該領(lǐng)域的重視程度的提高以及相關(guān)研發(fā)產(chǎn)出的增加。
圖2：該領(lǐng)域?qū)＠暾埮c授權(quán)趨勢
早期美國市場的相關(guān)專利布局量具有絕對優(yōu)勢，2011-2012年左右，其相關(guān)科研專利數(shù)量較多，2017年左右開始更多商業(yè)化布局，2018-2019年左右，歐洲進入相關(guān)技術(shù)專利的申請高峰，而在2022-2023年左右，中國市場的相關(guān)專利布局量實現(xiàn)反超，不過目前中國相關(guān)的專利也主要由高?；蚩蒲袡C構(gòu)申請，企業(yè)申請較少，尚未形成產(chǎn)業(yè)化。
圖3：主要國家/地域?qū)＠甓壬暾堏厔?/strong>
中美是量子點紅外成像技術(shù)的主要市場國家/地域，其次是歐洲。
針對相關(guān)專利數(shù)據(jù)（公開年2005以后）擴展同族后，進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，美國、中國的相關(guān)專利布局量分居前兩位，明顯多于其他國家/地域的布局量，是該領(lǐng)域的主要目標市場。其次是歐洲的國家/地域。
一方面是因為上述國家/地域是紅外成像領(lǐng)域較大的目標市場，另一方面上述國家的知識產(chǎn)權(quán)保護力度較大，為了限制競爭對手的發(fā)展，同時為了保護其自身相關(guān)技術(shù)不被競爭對手仿制，相關(guān)申請人重點在上述國家/地域進行相關(guān)專利申請的布局。
另外，WO、EP的專利數(shù)量排名第三、第四，說明量子點紅外成像技術(shù)主要以專利合作條約的國際申請、歐洲專利申請形式進入多國/地域布局。
圖4：目標市場國/地區(qū)排名
2
數(shù)據(jù)處理、圖像處理分類集中度高
量子點紅外探測成像本質(zhì)上基于半導(dǎo)體領(lǐng)域，故大部分專利主要在H01L、H04N、G01J、B82Y等分類下。
H01L （半導(dǎo)體器件）分類下相關(guān)專利量近年來增長明顯，包括對紅外輻射進行電能控制的半導(dǎo)體器件（H01L31）、由在一個共用襯底或其上形成的多個半導(dǎo)體器件（H01L27）、使用有機材料作有源部分的固態(tài)器件（H01L51）等。
國內(nèi)外IPC分布情況基本相同。只是國外還有部分專利分入了電視零部件（H04N）中。
量子點紅外技術(shù)地位情況
1
美歐相關(guān)技術(shù)地位相對領(lǐng)先
量子點紅外成像領(lǐng)域中，美歐中是主要的技術(shù)輸出國。根據(jù)全球量子點紅外成像領(lǐng)域相關(guān)專利申請（公開年2005以后）的同族的優(yōu)先權(quán)的統(tǒng)計分析結(jié)果，美歐中是該領(lǐng)域的主要原創(chuàng)技術(shù)輸出國。其中，美國相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)明顯早于歐洲和中國，歐洲略早于中國。
圖5：計算機視覺領(lǐng)域技術(shù)來源國分布情況
量子點紅外成像領(lǐng)域的專利價值高于相關(guān)行業(yè)的平均專利水平。從行業(yè)基準來評估量子點紅外成像領(lǐng)域的相對創(chuàng)新能力，該領(lǐng)域的專利（已經(jīng)過同族去重）明顯高于行業(yè)基準的平均水平2-6倍（C09K11發(fā)光材料除外）。
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中國產(chǎn)業(yè)推動政策密集發(fā)布
2015年以來，中國密集發(fā)布一系列產(chǎn)業(yè)推動政策。（通過網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)整理）
量子點紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)化情況
計算機視覺產(chǎn)業(yè)鏈上游壟斷現(xiàn)象明顯，中下游是多數(shù)企業(yè)布局和發(fā)展的重點。
量子點紅外成像技術(shù)中大部分企業(yè)集中在中游（紅外探測器/紅外成像儀等），目前，上游基礎(chǔ)層主要由國外巨頭把控，主要涉及：
①晶圓及輔料（臺積電、中芯國際、華虹半導(dǎo)體等）；
②量子點材料（Nanosys Inc.，NN-Labs LLC，Ocean NanoTech，Quantum Materials Corporation等）；
中游技術(shù)層，部分國內(nèi)技術(shù)能力不斷凸顯，傳統(tǒng)紅外成像的代表行公司有美國的Raytheon、FLIR，法國的Sofradir、以色列的SCD等。國內(nèi)參與者主要包括高德紅外、大立科技、睿創(chuàng)微納、?？低暋?/span>隨著國內(nèi)廠商技術(shù)突破，近年來市場份額有所提升。
而量子點紅外成像的參與者主要有InVisage， ST Microelectronics，SWIR Vision Systems，Emberion以及世界各地的學(xué)術(shù)團體，包括佛羅里達大學(xué)，西班牙光電研究所，華中科技大學(xué)，北京理工大學(xué)等也都在深度參與量子點紅外成像相關(guān)技術(shù)的研究。
下游應(yīng)用層主要分特種和民用兩大市場，特種客戶多為防務(wù)整機或者二級集成商，主要應(yīng)用與槍瞄、紅外夜視儀、紅外望遠鏡、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等場景，民用領(lǐng)域紅外應(yīng)用場景非常分散，如安防監(jiān)控，工業(yè)監(jiān)控等。
隨著技術(shù)發(fā)展，紅外成像技術(shù)有望降低成本，實現(xiàn)商業(yè)化，覆蓋消費電子等更多民用領(lǐng)域。
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代表企業(yè) InVisage
成立于2006年，總部位于美國加利福尼亞州，并在臺積電進行材料加工，是一家半導(dǎo)體制造廠商，主要生產(chǎn)基于量子點的圖像傳感器。
InVisage不僅研發(fā)了該技術(shù)，還研發(fā)了用于實現(xiàn)該技術(shù)的物理材料。過程和傳統(tǒng) CMOS 是一樣的，僅僅是增加了覆蓋量子薄膜這一步，因此，量子薄膜傳感器可以將相機的性能提高 5 倍。
非常注重專利布局，公司已經(jīng)擁有超過 100 項專利技術(shù)。
于2017年7月被蘋果公司收購。不過蘋果一直對量子點技術(shù)的相關(guān)計劃保持沉默。但2023年3月7日美國國家專利局公布的蘋果公司的一篇與屏下生物識別相關(guān)的專利中，再次出現(xiàn)了短波紅外內(nèi)容，有可能與量子點技術(shù)相關(guān)，值得持續(xù)關(guān)注。
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代表企業(yè) ST Microelectronics
意法半導(dǎo)體(ST)集團于1987年6月成立，是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導(dǎo)體公司合并而成。意法半導(dǎo)體是世界最大的半導(dǎo)體公司之一。
2021年，在美國舊金山舉辦的IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，ST Microelectronics詳細介紹了其有望商業(yè)化的量子點短波紅外（SWIR）圖像傳感器，但目前尚未在公司官網(wǎng)發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。
意法半導(dǎo)體的技術(shù)基于硫化鉛量子點薄膜。在其300 mm晶圓廠，利用溶液制作，通過沉積步驟整合在CMOS半導(dǎo)體工藝中。
ST Microelectronics涉及到膠體量子點紅外成像方面的專利共9件，構(gòu)思相同，實質(zhì)上是1個發(fā)明構(gòu)思下的多地區(qū)專利布局。
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代表企業(yè) SWIR Vision Systems
SWIR Vision Systems成立于2018年，是三角研究所(RTI International)的分支機構(gòu)，于2021年10月完成500萬美元A輪融資。專注于開發(fā)膠體量子點圖像傳感器。
基于CMOS的尖端Acuros? CQD圖像傳感器SWIR Vision Systems開發(fā)的CQD傳感器采用單片集成方案，其基于PbS膠體量子點的圖像傳感器采用成熟的低成本半導(dǎo)體沉積技術(shù)，直接在CMOS讀出集成電路（ROIC）上制造而成。
該工藝不需要外延生長或外來襯底材料，并且可以很容易地擴展到晶圓級制造。該方案還采用了低成本、溶液處理的膠體量子點，以形成在短波紅外（SWIR）和可見光譜波段都敏感的sub-2 μm間距的p-n光電二極管陣列。其產(chǎn)品在其官網(wǎng)可查。
基于獨特的量子點光電二極管傳感器設(shè)計，SWIR Vision Systems專利保護的傳感器解決方案提供了世界上最高分辨率的商用SWIR相機。其產(chǎn)品已經(jīng)在全球最大的半導(dǎo)體芯片制造廠用于檢驗大批量生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片。
專利布局較少，偏向應(yīng)用。
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代表企業(yè) Emberion
Emberion成立于2016年，是拆分自諾基亞的一家創(chuàng)新廠商，總部位于芬蘭埃斯波，于2022年初完成600萬歐元融資擴大產(chǎn)能。
其探測器開發(fā)和制造中心位于英國劍橋。專注于開發(fā)和供應(yīng)覆蓋可見光至短波紅外波段的探測器和相機。
Emberion光電探測器通過在CMOS讀出電路上集成納米材料（如膠體量子點和石墨烯）制造而成。通過調(diào)整納米材料可以將探測器的敏感范圍擴展到短波紅外波段。此外，還剛剛推出了VS20 VIS-SWIR相機。
較注重專利布局，涉及膠體量子點紅外成像技術(shù)的專利申請51件。
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代表企業(yè) Qurv Technologies
2020年末，西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所（The Institute of Photonic Sciences, ICFO）成立了一家獨立的公司Qurv Technologies。
Qurv的石墨烯/量子點圖像傳感器平臺技術(shù)可實現(xiàn)從可見光到短波紅外（SWIR）光范圍內(nèi)的感知，并可兼容當前的CMOS低成本、高制造性工藝。
Qurv的“即插即用”技術(shù)旨在將先進的機器視覺功能引入當前SWIR傳感器無法進入的市場。
擁有超過10個同族專利組合。
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