量子點紅外成像技術概念

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

膠體量子點（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可見光子的發光二極管，利用器件內光-電-光的線性轉換過程，避免了讀出電路和復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發射光譜的能力。

在性能與InGaAs芯片相當的前提下，基于量子點的成像芯片的成本不到其1%，有望實現短波紅外成像在消費級領域的應用。

量子點紅外成像技術發展歷史

?光電導效應發現于1873年的海底電纜絕緣層實驗。1917年，第一個紅外光電導探測器被研制出來。

?1981年和1983年，前蘇聯科學家Alexei Ekimov和美國科學家Louis Brus分別獨立發現了半導體納米顆粒的量子尺寸效應。

?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，作為一種感光劑應用于電子照相技術中。

?1993年，美國麻省理工學院Moungi G. Bawendi教授帶領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，為量子點的大規模應用開發打開了大門。

?1998 年，量子點紅外探測器（QDIPs）首次被論證。

?2003年，“固態配體交換”的方法被提出，為膠體量子點在光電探測領域的應用提供了可能。

?2005年，多倫多大學Edward H. Sargent教授發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合作研發出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成為該研究領域的新寵。

?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。

?近年來具有優異光電性能的量子點材料在硅基探測器的集成中已經有了一定的成果，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收獲較好的效果，但仍存在一些機遇與挑戰。例如專用材料缺乏，存在集成工藝問題以及需要開發與之匹配的先進的成像算法等。

量子點紅外技術發展現狀

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中美是量子點紅外成像領域的主要目標市場國

紅外成像技術應用非常廣泛，而量子點紅外成像將極大地擴展其應用可能，近年來呈現快速發展的態勢。

根據相關專利數據（申請年2005以后），將量子點應用于紅外探測的技術從2005開始興起，最早開始布局且為該領域TOP1的申請人InVisage公司，隨后呈現較為穩定的增長趨勢；2011年左右數量激增，在2019-2020年左右，部分歐美相關技術企業已經完成專利布局，專利申請數量略有下降。

隨著中國加入該項技術的投入和研究中，該領域的中國申請人近幾年的相關專利布局量整體呈現較為明顯的增長，說明該領域的主要申請人仍十分注重該領域相關技術的研發和專利布局。

圖1：申請人排名分析

該領域中，國外申請人擁有較多早期專利申請，相對國內具備一定的領先能力。

該領域TOP10申請人中，國外申請人占據8席，其相關專利布局時間較早且近幾年呈現較為穩定的一定專利申請量；國內主要申請人在該領域的布局整體較晚，且主要在2022年左右開始激增，說明國內主要申請人近年來對該領域的重視程度的提高以及相關研發產出的增加。

圖2：該領域專利申請與授權趨勢

早期美國市場的相關專利布局量具有絕對優勢，2011-2012年左右，其相關科研專利數量較多，2017年左右開始更多商業化布局，2018-2019年左右，歐洲進入相關技術專利的申請高峰，而在2022-2023年左右，中國市場的相關專利布局量實現反超，不過目前中國相關的專利也主要由高校或科研機構申請，企業申請較少，尚未形成產業化。

圖3：主要國家/地域專利年度申請趨勢

中美是量子點紅外成像技術的主要市場國家/地域，其次是歐洲。

針對相關專利數據（公開年2005以后）擴展同族后，進行統計分析發現，美國、中國的相關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/地域是紅外成像領域較大的目標市場，另一方面上述國家的知識產權保護力度較大，為了限制競爭對手的發展，同時為了保護其自身相關技術不被競爭對手仿制，相關申請人重點在上述國家/地域進行相關專利申請的布局。

另外，WO、EP的專利數量排名第三、第四，說明量子點紅外成像技術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/地區排名

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數據處理、圖像處理分類集中度高

量子點紅外探測成像本質上基于半導體領域，故大部分專利主要在H01L、H04N、G01J、B82Y等分類下。

H01L （半導體器件）分類下相關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體器件（H01L31）、由在一個共用襯底或其上形成的多個半導體器件（H01L27）、使用有機材料作有源部分的固態器件（H01L51）等。

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

量子點紅外技術地位情況

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美歐相關技術地位相對領先

量子點紅外成像領域中，美歐中是主要的技術輸出國。根據全球量子點紅外成像領域相關專利申請（公開年2005以后）的同族的優先權的統計分析結果，美歐中是該領域的主要原創技術輸出國。其中，美國相關技術的出現明顯早于歐洲和中國，歐洲略早于中國。

圖5：計算機視覺領域技術來源國分布情況

量子點紅外成像領域的專利價值高于相關行業的平均專利水平。從行業基準來評估量子點紅外成像領域的相對創新能力，該領域的專利（已經過同族去重）明顯高于行業基準的平均水平2-6倍（C09K11發光材料除外）。

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中國產業推動政策密集發布

2015年以來，中國密集發布一系列產業推動政策。（通過網絡公開數據整理）

量子點紅外技術產業化情況

計算機視覺產業鏈上游壟斷現象明顯，中下游是多數企業布局和發展的重點。

量子點紅外成像技術中大部分企業集中在中游（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量子點材料（Nanosys Inc.，NN-Labs LLC，Ocean NanoTech，Quantum Materials Corporation等）；

中游技術層，部分國內技術能力不斷凸顯，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、睿創微納、海康威視。隨著國內廠商技術突破，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以及世界各地的學術團體，包括佛羅里達大學，西班牙光電研究所，華中科技大學，北京理工大學等也都在深度參與量子點紅外成像相關技術的研究。

下游應用層主要分特種和民用兩大市場，特種客戶多為防務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、導彈導引頭等場景，民用領域紅外應用場景非常分散，如安防監控，工業監控等。

隨著技術發展，紅外成像技術有望降低成本，實現商業化，覆蓋消費電子等更多民用領域。

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代表企業 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，是一家半導體制造廠商，主要生產基于量子點的圖像傳感器。

InVisage不僅研發了該技術，還研發了用于實現該技術的物理材料。過程和傳統 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。

非常注重專利布局，公司已經擁有超過 100 項專利技術。

于2017年7月被蘋果公司收購。不過蘋果一直對量子點技術的相關計劃保持沉默。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的專利中，再次出現了短波紅外內容，有可能與量子點技術相關，值得持續關注。

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代表企業?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國際電子器件會議（IEDM）上，ST Microelectronics詳細介紹了其有望商業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發布相關產品。

意法半導體的技術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，構思相同，實質上是1個發明構思下的多地區專利布局。

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代表企業?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500萬美元A輪融資。專注于開發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體沉積技術，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。其產品在其官網可查。

基于獨特的量子點光電二極管傳感器設計，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。其產品已經在全球最大的半導體芯片制造廠用于檢驗大批量生產的半導體芯片。

專利布局較少，偏向應用。

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代表企業?Emberion

Emberion成立于2016年，是拆分自諾基亞的一家創新廠商，總部位于芬蘭埃斯波，于2022年初完成600萬歐元融資擴大產能。

其探測器開發和制造中心位于英國劍橋。專注于開發和供應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的專利申請51件。

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代表企業?Qurv Technologies?

2020年末，西班牙巴塞羅那光子科學研究所（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可實現從可見光到短波紅外（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。

量子點紅外技術動態詳覽

（專利技術）

量子點紅外技術動態詳覽

（非專利技術及新聞資訊）

審核編輯：黃飛