【深度】量子點(diǎn)紅外探測成像技術(shù)發(fā)展趨勢及相關(guān)專(zhuān)利分析

量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)概念

量子點(diǎn)（Quantum dots，QDs）是具有尺寸可調特征的1-20nm的半導體納米晶體，在可見(jiàn)光和紅外波長(cháng)范圍內具有較強的光吸收和明亮的窄帶****。

膠體量子點(diǎn)（Colloidal quantum dot，CQDs），量子限域效應明顯，液相加工工藝使得其可以與硅基讀出電路進(jìn)行直接片上耦合，紅外成像器件通過(guò)集成探測紅外光子的紅外探測器和激發(fā)可見(jiàn)光子的發(fā)光二極管，利用器件內光-電-光的線(xiàn)性轉換過(guò)程，避免了讀出電路和復雜的電信號處理過(guò)程，能夠直接可視化紅外圖像。

量子點(diǎn)的特性可以通過(guò)顆粒大小、材料和成分進(jìn)行調整。量子點(diǎn)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芯片相當的前提下，基于量子點(diǎn)的成像芯片的成本不到其1%，有望實(shí)現短波紅外成像在消費級領(lǐng)域的應用。

量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)發(fā)展歷史

?光電導效應發(fā)現于1873年的海底電纜絕緣層實(shí)驗。1917年，第一個(gè)紅外光電導探測器被研制出來(lái)。

?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)現了半導體納米顆粒的量子尺寸效應。

?量子點(diǎn)在光電探測中的首次嘗試是在 1992 年，當時(shí)膠體量子點(diǎn)被視為絕緣膠體，作為一種感光劑應用于電子照相技術(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(diǎn)的大規模應用開(kāi)發(fā)打開(kāi)了大門(mén)。

?1998 年，量子點(diǎn)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(diǎn)在光電探測領(lǐng)域的應用提供了可能。

?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(diǎn)混合光探測器。2009年，西門(mén)子和奧地利林茨大學(xué)合作研發(fā)出PbS膠體量子點(diǎn)探測器。至此開(kāi)始 PbS CQD 探測器的研究在近十年的時(shí)間內成為該研究領(lǐng)域的新寵。

?2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens課題組通過(guò)使用石墨烯及PbS量子點(diǎn)晶體管結構，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規模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(diǎn)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(lái)具有優(yōu)異光電性能的量子點(diǎn)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(diǎn)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。例如專(zhuān)用材料缺乏，存在集成工藝問(wèn)題以及需要開(kāi)發(fā)與之匹配的先進(jìn)的成像算法等。

量子點(diǎn)紅外技術(shù)發(fā)展現狀

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中美是量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域的主要目標市場(chǎng)國

紅外成像技術(shù)應用非常廣泛，而量子點(diǎn)紅外成像將極大地擴展其應用可能，近年來(lái)呈現快速發(fā)展的態(tài)勢。

根據相關(guān)專(zhuān)利數據（申請年2005以后），將量子點(diǎn)應用于紅外探測的技術(shù)從2005開(kāi)始興起，最早開(kāi)始布局且為該領(lǐng)域TOP1的申請人InVisage公司，隨后呈現較為穩定的增長(cháng)趨勢；2011年左右數量激增，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(zhuān)利布局，專(zhuān)利申請數量略有下降。

隨著(zhù)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(zhuān)利布局量整體呈現較為明顯的增長(cháng)，說(shuō)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(zhuān)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(zhuān)利申請，相對國內具備一定的領(lǐng)先能力。

該領(lǐng)域TOP10申請人中，國外申請人占據8席，其相關(guān)專(zhuān)利布局時(shí)間較早且近幾年呈現較為穩定的一定專(zhuān)利申請量；國內主要申請人在該領(lǐng)域的布局整體較晚，且主要在2022年左右開(kāi)始激增，說(shuō)明國內主要申請人近年來(lái)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)域專(zhuān)利申請與授權趨勢

早期美國市場(chǎng)的相關(guān)專(zhuān)利布局量具有絕對優(yōu)勢，2011-2012年左右，其相關(guān)科研專(zhuān)利數量較多，2017年左右開(kāi)始更多商業(yè)化布局，2018-2019年左右，歐洲進(jìn)入相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利的申請高峰，而在2022-2023年左右，中國市場(chǎng)的相關(guān)專(zhuān)利布局量實(shí)現反超，不過(guò)目前中國相關(guān)的專(zhuān)利也主要由高?；蚩蒲袡C構申請，企業(yè)申請較少，尚未形成產(chǎn)業(yè)化。

圖3：主要國家/地域專(zhuān)利年度申請趨勢

中美是量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)的主要市場(chǎng)國家/地域，其次是歐洲。

針對相關(guān)專(zhuān)利數據（公開(kāi)年2005以后）擴展同族后，進(jìn)行統計分析發(fā)現，美國、中國的相關(guān)專(zhuān)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(chǎng)。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(chǎng)，另一方面上述國家的知識產(chǎn)權保護力度較大，為了限制競爭對手的發(fā)展，同時(shí)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(diǎn)在上述國家/地域進(jìn)行相關(guān)專(zhuān)利申請的布局。

另外，WO、EP的專(zhuān)利數量排名第三、第四，說(shuō)明量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)主要以專(zhuān)利合作條約的國際申請、歐洲專(zhuān)利申請形式進(jìn)入多國/地域布局。

圖4：目標市場(chǎng)國/地區排名

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數據處理、圖像處理分類(lèi)集中度高

量子點(diǎn)紅外探測成像本質(zhì)上基于半導體領(lǐng)域，故大部分專(zhuān)利主要在H01L、H04N、G01J、B82Y等分類(lèi)下。

H01L （半導體器件）分類(lèi)下相關(guān)專(zhuān)利量近年來(lái)增長(cháng)明顯，包括對紅外輻射進(jìn)行電能控制的半導體器件（H01L31）、由在一個(gè)共用襯底或其上形成的多個(gè)半導體器件（H01L27）、使用有機材料作有源部分的固態(tài)器件（H01L51）等。

國內外IPC分布情況基本相同。只是國外還有部分專(zhuān)利分入了電視零部件（H04N）中。

量子點(diǎn)紅外技術(shù)地位情況

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美歐相關(guān)技術(shù)地位相對領(lǐng)先

量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域中，美歐中是主要的技術(shù)輸出國。根據全球量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利申請（公開(kāi)年2005以后）的同族的優(yōu)先權的統計分析結果，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)的出現明顯早于歐洲和中國，歐洲略早于中國。

圖5：計算機視覺(jué)領(lǐng)域技術(shù)來(lái)源國分布情況

量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域的專(zhuān)利價(jià)值高于相關(guān)行業(yè)的平均專(zhuān)利水平。從行業(yè)基準來(lái)評估量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域的相對創(chuàng )新能力，該領(lǐng)域的專(zhuān)利（已經(jīng)過(guò)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(dòng)政策密集發(fā)布

2015年以來(lái)，中國密集發(fā)布一系列產(chǎn)業(yè)推動(dòng)政策。（通過(guò)網(wǎng)絡(luò )公開(kāi)數據整理）

量子點(diǎn)紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)化情況

計算機視覺(jué)產(chǎn)業(yè)鏈上游壟斷現象明顯，中下游是多數企業(yè)布局和發(fā)展的重點(diǎn)。

量子點(diǎn)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、華虹半導體等）；

②量子點(diǎn)材料（Nanosys Inc.，NN-Labs LLC，Ocean NanoTech，Quantum Materials Corporation等）；

中游技術(shù)層，部分國內技術(shù)能力不斷凸顯，傳統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。國內參與者主要包括高德紅外、大立科技、睿創(chuàng )微納、?？低?。隨著(zhù)國內廠(chǎng)商技術(shù)突破，近年來(lái)市場(chǎng)份額有所提升。

而量子點(diǎn)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(diǎn)紅外成像相關(guān)技術(shù)的研究。

下游應用層主要分特種和民用兩大市場(chǎng)，特種客戶(hù)多為防務(wù)整機或者二級集成商，主要應用與槍瞄、紅外夜視儀、紅外望遠鏡、導彈導引頭等場(chǎng)景，民用領(lǐng)域紅外應用場(chǎng)景非常分散，如安防監控，工業(yè)監控等。

隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，紅外成像技術(shù)有望降低成本，實(shí)現商業(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(jìn)行材料加工，是一家半導體制造廠(chǎng)商，主要生產(chǎn)基于量子點(diǎn)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(shí)現該技術(shù)的物理材料。過(guò)程和傳統 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(zhuān)利布局，公司已經(jīng)擁有超過(guò) 100 項專(zhuān)利技術(shù)。

于2017年7月被蘋(píng)果公司收購。不過(guò)蘋(píng)果一直對量子點(diǎn)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(zhuān)利局公布的蘋(píng)果公司的一篇與屏下生物識別相關(guān)的專(zhuān)利中，再次出現了短波紅外內容，有可能與量子點(diǎn)技術(shù)相關(guān)，值得持續關(guān)注。

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代表企業(yè) ST Microelectronics

意法半導體(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半導體公司合并而成。意法半導體是世界最大的半導體公司之一。

2021年，在美國舊金山舉辦的IEEE國際電子器件會(huì )議（IEDM）上，ST Microelectronics詳細介紹了其有望商業(yè)化的量子點(diǎn)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。

意法半導體的技術(shù)基于硫化鉛量子點(diǎn)薄膜。在其300 mm晶圓廠(chǎng)，利用溶液制作，通過(guò)沉積步驟整合在CMOS半導體工藝中。

ST Microelectronics涉及到膠體量子點(diǎn)紅外成像方面的專(zhuān)利共9件，構思相同，實(shí)質(zhì)上是1個(gè)發(fā)明構思下的多地區專(zhuān)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，于2021年10月完成500萬(wàn)美元A輪融資。專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)膠體量子點(diǎn)圖像傳感器。

基于CMOS的尖端Acuros? CQD圖像傳感器SWIR Vision Systems開(kāi)發(fā)的CQD傳感器采用單片集成方案，其基于PbS膠體量子點(diǎn)的圖像傳感器采用成熟的低成本半導體沉積技術(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(cháng)或外來(lái)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(diǎn)，以形成在短波紅外（SWIR）和可見(jiàn)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(diǎn)光電二極管傳感器設計，SWIR Vision Systems專(zhuān)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)在全球最大的半導體芯片制造廠(chǎng)用于檢驗大批量生產(chǎn)的半導體芯片。

專(zhuān)利布局較少，偏向應用。

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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(chǎng)商，總部位于芬蘭埃斯波，于2022年初完成600萬(wàn)歐元融資擴大產(chǎn)能。

其探測器開(kāi)發(fā)和制造中心位于英國劍橋。專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)和供應覆蓋可見(jiàn)光至短波紅外波段的探測器和相機。

Emberion光電探測器通過(guò)在CMOS讀出電路上集成納米材料（如膠體量子點(diǎn)和石墨烯）制造而成。通過(guò)調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(zhuān)利布局，涉及膠體量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)的專(zhuān)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(diǎn)圖像傳感器平臺技術(shù)可實(shí)現從可見(jiàn)光到短波紅外（SWIR）光范圍內的感知，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(jìn)的機器視覺(jué)功能引入當前SWIR傳感器無(wú)法進(jìn)入的市場(chǎng)。

擁有超過(guò)10個(gè)同族專(zhuān)利組合。

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