半導(dǎo)體芯科技編譯

來(lái)源：IMEC

日前，世界領(lǐng)先的納米電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心IMEC展示了釘扎光電二極管結(jié)構(gòu)在薄膜圖像傳感器中的成功集成。通過(guò)添加釘扎光電柵和傳輸柵，薄膜成像器的優(yōu)異吸收性能（超過(guò)1μm波長(zhǎng)）最終可以得到利用，從而以經(jīng)濟(jì)高效的方式釋放超出可見(jiàn)光范圍的傳感光的潛力。

檢測(cè)可見(jiàn)光以外的波長(zhǎng)（例如紅外光）具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其應(yīng)用包括自動(dòng)駕駛汽車中用于“透視”煙霧或霧氣的攝像頭，以及通過(guò)人臉識(shí)別解鎖智能手機(jī)的攝像頭。雖然可以通過(guò)硅基成像儀檢測(cè)可見(jiàn)光，但對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如短波紅外（SWIR），則需要其他半導(dǎo)體。

使用III-V族材料可以克服這種檢測(cè)限制。然而，制造這些吸收體的成本昂貴，限制了其使用。相比之下，近期使用薄膜吸收體（例如量子點(diǎn)）的傳感器已成為一種十分有前景的替代方案。其具有優(yōu)異的吸收特性以及與傳統(tǒng)（CMOS）讀出電路集成的潛力。然而，這種紅外傳感器的噪聲性能較差，會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量較差。

早在20世紀(jì)80年代，硅基CMOS圖像傳感器就引入了釘扎光電二極管（PPD）結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)引入了一個(gè)額外的晶體管柵極和一個(gè)特殊的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)，可以在集成開(kāi)始之前完全耗盡電荷（允許在沒(méi)有kTC噪聲和前一幀影響的情況下進(jìn)行復(fù)位操作）。因此，由于較低的噪聲和改進(jìn)的功率性能，PPD在硅基圖像傳感器的消費(fèi)市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。除了硅基成像之外，由于混合兩種不同的半導(dǎo)體系統(tǒng)存在困難，到目前為止還不能整合這種結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，IMEC展示了將PPD結(jié)構(gòu)成功融入薄膜圖像傳感器的讀出電路中；是同類中的首個(gè)案例。SWIR量子點(diǎn)光電探測(cè)器與氧化銦鎵鋅（IGZO）基薄膜晶體管單片混合成PPD像素。該陣列隨后在CMOS讀出電路上進(jìn)行處理，形成優(yōu)質(zhì)的薄膜SWIR圖像傳感器。

IMEC“薄膜釘扎光電二極管”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Nikolas Papadopoulos表示：“原型4T圖像傳感器顯示出6.1e-的顯著低的讀出噪聲，而傳統(tǒng)3T傳感器的讀出噪聲則超過(guò)100e-，展示了其優(yōu)異的噪聲性能”，因此，可以以更少的噪聲、失真或干擾以及更高的精度和細(xì)節(jié)捕獲紅外圖像。

IMEC“像素創(chuàng)新”項(xiàng)目經(jīng)理Pawel Malinowski補(bǔ)充道：“在IMEC，憑借我們?cè)诒∧す怆姸O管、IGZO、圖像傳感器和薄膜晶體管方面的綜合專業(yè)知識(shí)，我們處于連接紅外和成像儀領(lǐng)域的最前沿。通過(guò)實(shí)現(xiàn)這一里程碑，我們超越了當(dāng)前的像素架構(gòu)限制，展示了一種將性能最佳的量子點(diǎn)SWIR像素與高效益的制造相結(jié)合的方法。未來(lái)計(jì)劃包括在各種類型的薄膜光電二極管中優(yōu)化該技術(shù)，以及擴(kuò)大其在硅成像以外的傳感器中的應(yīng)用。我們期待與行業(yè)合作伙伴進(jìn)行合作，進(jìn)一步推動(dòng)這些創(chuàng)新策略。”

審核編輯：湯梓紅