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Imec将薄膜光电二极管集成到短波红外传感器中

2023/9/4 10:13:13 材料来源：雅时

研究结果发表在《Nature Electronics》上，揭示了薄膜传感器在红外成像中的应用潜力

比利时研发组织Imec在薄膜图像传感器中集成了固定光电二极管结构。将钉扎光电栅极和转移栅极添加到薄膜成像仪（波长大于1 µm）中，使其具备出色的吸收质量，可对此加以利用，从而以经济高效的方式释放其感知不可见光的潜力。

检测可见光之外的波长（例如红外光）具有许多优点。应用包括自动驾驶汽车中用于“透视”烟雾或雾气的摄像头，以及通过人脸识别解锁智能手机的摄像头。虽然可通过硅基成像仪检测可见光，但对于较长波长，例如短波红外(SWIR)，则需要其他半导体。

使用III-V族材料可以克服这种检测限制。然而，制造这类吸收器成本昂贵，因而使用途径受限。相比之下，使用薄膜吸收器（例如量子点）的传感器近期已成为一种有前景的替代方案。该传感器吸收特性出色，还具有集成传统(CMOS)读出电路的潜力。然而，这种红外传感器的噪声性能较差，导致图像质量较差。

20世纪80年代，硅CMOS图像传感器引入了钉扎光电二极管(PPD)结构。该结构引入了一个额外的晶体管栅极和一个特殊的光电探测器结构，通过光电探测器结构，开始集成前电荷就可完全耗尽（允许复位操作，其中不含kTC噪声，也不受先前框架的影响）。因此，PPD由于噪声较低且功率性能有所提高，在硅基图像传感器的消费市场中占据主导地位。除了硅成像之外，整合PPD结构目前才得以实现，因为混合两种不同的半导体系统非常困难。

目前，Imec成功将PPD结构首次整合进薄膜图像传感器的读出电路。SWIR量子点光电探测器与氧化铟镓锌(IGZO)基薄膜晶体管进行单片混合，形成了PPD像素。随后，在CMOS读出电路上处理这一阵列，形成优质的薄膜SWIR图像传感器。

Imec“薄膜钉扎光电二极管”项目负责人Nikolas Papadopoulos说道，“4T图像传感器原型的读出噪声非常低，仅为6.1e-，而传统3T传感器的读出噪声则大于100e-，噪声性能显著。”因此，捕获的红外图像噪声低、失真少、干扰弱，且精度较高、细节较强。

Imec像素创新项目经理Pawel Malinowski补充道：“我们通过实现这一里程碑，超越了当前的像素架构限制，并证实出一种方法，既能使量子点SWIR像素性能最佳，又能使制造价格适宜。未来步骤包括在各类薄膜光电二极管中优化这项技术，以及在除硅成像外的传感器中，扩大这项技术的应用。我们期待与行业合作伙伴开展合作，进一步推动创新。”

“用于单片薄膜图像传感器的钉扎光电二极管”阐述了研究结果，该论文发表在《Nature Electronics》2023年8月刊。初步研究结果已在2023年国际图像传感器研讨会上公布。

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