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(diào)特征的1-20nm的半導(dǎo)體納米晶體，在可見(jiàn)光和紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的光吸收和明亮的窄帶發(fā)射。

膠體量子點(diǎn)（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(jìn)行直接片上耦合，紅外成像器件通過(guò)集成探測(cè)紅外光子的紅外探測(cè)器和激發(fā)可見(jiàn)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(guò)程，避免了讀出電路和復(fù)雜的電信號(hào)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(diào)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發(fā)射光譜的能力。

在性能與InGaAs芯片相當(dāng)?shù)那疤嵯拢诹孔狱c(diǎn)的成像芯片的成本不到其1%，有望實(shí)現(xiàn)短波紅外成像在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的應(yīng)用。

量子點(diǎn)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(shí)驗(yàn)。1917年，第一個(gè)紅外光電導(dǎo)探測(cè)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(guó)科學(xué)家Louis Brus分別獨(dú)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(diǎn)在光電探測(cè)中的首次嘗試是在 1992 年，當(dāng)時(shí)膠體量子點(diǎn)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(guó)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(guī)模應(yīng)用開(kāi)發(fā)打開(kāi)了大門(mén)。

?1998 年，量子點(diǎn)紅外探測(cè)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(cè)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(diǎn)混合光探測(cè)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(cè)器。至此開(kāi)始 PbS CQD 探測(cè)器的研究在近十年的時(shí)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(guò)使用石墨烯及PbS量子點(diǎn)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(bào)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(cè)器的集成中已經(jīng)有了一定的成果，為硅基探測(cè)器性能的提升提供了新的思路。雖然量子點(diǎn)增強(qiáng)硅基探測(cè)器已經(jīng)收獲較好的效果，但仍存在一些機(jī)遇與挑戰(zhàn)。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(xiàn)狀

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

紅外成像技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，而量子點(diǎn)紅外成像將極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用可能，近年來(lái)呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

根據(jù)相關(guān)專(zhuān)利數(shù)據(jù)（申請(qǐng)年2005以后），將量子點(diǎn)應(yīng)用于紅外探測(cè)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(qǐng)人InVisage公司，隨后呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)；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(zhuān)利布局，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量略有下降。

隨著中國(guó)加入該項(xiàng)技術(shù)的投入和研究中，該領(lǐng)域的中國(guó)申請(qǐng)人近幾年的相關(guān)專(zhuān)利布局量整體呈現(xiàn)較為明顯的增長(zhǎng)，說(shuō)明該領(lǐng)域的主要申請(qǐng)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(qǐng)人排名分析

該領(lǐng)域中，國(guó)外申請(qǐng)人擁有較多早期專(zhuān)利申請(qǐng)，相對(duì)國(guó)內(nèi)具備一定的領(lǐng)先能力。

該領(lǐng)域TOP10申請(qǐng)人中，國(guó)外申請(qǐng)人占據(jù)8席，其相關(guān)專(zhuān)利布局時(shí)間較早且近幾年呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的一定專(zhuān)利申請(qǐng)量；國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)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(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人近年來(lái)對(duì)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?qǐng)與授權(quán)趨勢(shì)

早期美國(guó)市場(chǎng)的相關(guān)專(zhuān)利布局量具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，2011-2012年左右，其相關(guān)科研專(zhuān)利數(shù)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(qǐng)高峰，而在2022-2023年左右，中國(guó)市場(chǎng)的相關(guān)專(zhuān)利布局量實(shí)現(xiàn)反超，不過(guò)目前中國(guó)相關(guān)的專(zhuān)利也主要由高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)申請(qǐng)，企業(yè)申請(qǐng)較少，尚未形成產(chǎn)業(yè)化。

圖3：主要國(guó)家/地域?qū)＠甓壬暾?qǐng)趨勢(shì)

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

針對(duì)相關(guān)專(zhuān)利數(shù)據(jù)（公開(kāi)年2005以后）擴(kuò)展同族后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，美國(guó)、中國(guó)的相關(guān)專(zhuān)利布局量分居前兩位，明顯多于其他國(guó)家/地域的布局量，是該領(lǐng)域的主要目標(biāo)市場(chǎng)。其次是歐洲的國(guó)家/地域。

一方面是因?yàn)樯鲜鰢?guó)家/地域是紅外成像領(lǐng)域較大的目標(biāo)市場(chǎng)，另一方面上述國(guó)家的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度較大，為了限制競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的發(fā)展，同時(shí)為了保護(hù)其自身相關(guān)技術(shù)不被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手仿制，相關(guān)申請(qǐng)人重點(diǎn)在上述國(guó)家/地域進(jìn)行相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的布局。

另外，WO、EP的專(zhuān)利數(shù)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(guó)際申請(qǐng)、歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)形式進(jìn)入多國(guó)/地域布局。

圖4：目標(biāo)市場(chǎng)國(guó)/地區(qū)排名

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數(shù)據(jù)處理、圖像處理分類(lèi)集中度高

量子點(diǎn)紅外探測(cè)成像本質(zhì)上基于半導(dǎo)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(dǎo)體器件）分類(lèi)下相關(guān)專(zhuān)利量近年來(lái)增長(zhǎng)明顯，包括對(duì)紅外輻射進(jìn)行電能控制的半導(dǎo)體器件（H01L31）、由在一個(gè)共用襯底或其上形成的多個(gè)半導(dǎo)體器件（H01L27）、使用有機(jī)材料作有源部分的固態(tài)器件（H01L51）等。

國(guó)內(nèi)外IPC分布情況基本相同。只是國(guó)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(duì)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(guó)。根據(jù)全球量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)（公開(kāi)年2005以后）的同族的優(yōu)先權(quán)的統(tǒng)計(jì)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(guó)。其中，美國(guó)相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)明顯早于歐洲和中國(guó)，歐洲略早于中國(guó)。

圖5：計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域技術(shù)來(lái)源國(guó)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(zhǔn)來(lái)評(píng)估量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域的相對(duì)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(zhǔn)的平均水平2-6倍（C09K11發(fā)光材料除外）。

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中國(guó)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)政策密集發(fā)布

2015年以來(lái)，中國(guó)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(shù)據(jù)整理）

量子點(diǎn)紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)化情況

計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(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(cè)器/紅外成像儀等），目前，上游基礎(chǔ)層主要由國(guó)外巨頭把控，主要涉及：

①晶圓及輔料（臺(tái)積電、中芯國(guó)際、華虹半導(dǎo)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(guó)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(guó)的Raytheon、FLIR，法國(guó)的Sofradir、以色列的SCD等。國(guó)內(nèi)參與者主要包括高德紅外、大立科技、睿創(chuàng)微納、?？低?/u>。隨著國(guó)內(nèi)廠商技術(shù)突破，近年來(lái)市場(chǎng)份額有所提升。