半導體芯科技編譯

來源：IMEC

日前，世界領先的納米電子學和數字技術研究與創新中心IMEC展示了釘扎光電二極管結構在薄膜圖像傳感器中的成功集成。通過添加釘扎光電柵和傳輸柵，薄膜成像器的優異吸收性能（超過1μm波長）最終可以得到利用，從而以經濟高效的方式釋放超出可見光范圍的傳感光的潛力。

檢測可見光以外的波長（例如紅外光）具有明顯的優勢。其應用包括自動駕駛汽車中用于“透視”煙霧或霧氣的攝像頭，以及通過人臉識別解鎖智能手機的攝像頭。雖然可以通過硅基成像儀檢測可見光，但對于更長的波長，例如短波紅外（SWIR），則需要其他半導體。

使用III-V族材料可以克服這種檢測限制。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）的傳感器已成為一種十分有前景的替代方案。其具有優異的吸收特性以及與傳統（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，會導致圖像質量較差。

早在20世紀80年代，硅基CMOS圖像傳感器就引入了釘扎光電二極管（PPD）結構。這種結構引入了一個額外的晶體管柵極和一個特殊的光電探測器結構，通過該結構，可以在集成開始之前完全耗盡電荷（允許在沒有kTC噪聲和前一幀影響的情況下進行復位操作）。因此，由于較低的噪聲和改進的功率性能，PPD在硅基圖像傳感器的消費市場中占據主導地位。除了硅基成像之外，由于混合兩種不同的半導體系統存在困難，到目前為止還不能整合這種結構。

現在，IMEC展示了將PPD結構成功融入薄膜圖像傳感器的讀出電路中；是同類中的首個案例。SWIR量子點光電探測器與氧化銦鎵鋅（IGZO）基薄膜晶體管單片混合成PPD像素。該陣列隨后在CMOS讀出電路上進行處理，形成優質的薄膜SWIR圖像傳感器。

IMEC“薄膜釘扎光電二極管”項目負責人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3T傳感器的讀出噪聲則超過100e-，展示了其優異的噪聲性能”，因此，可以以更少的噪聲、失真或干擾以及更高的精度和細節捕獲紅外圖像。

IMEC“像素創新”項目經理Pawel Malinowski補充道：“在IMEC，憑借我們在薄膜光電二極管、IGZO、圖像傳感器和薄膜晶體管方面的綜合專業知識，我們處于連接紅外和成像儀領域的最前沿。通過實現這一里程碑，我們超越了當前的像素架構限制，展示了一種將性能最佳的量子點SWIR像素與高效益的制造相結合的方法。未來計劃包括在各種類型的薄膜光電二極管中優化該技術，以及擴大其在硅成像以外的傳感器中的應用。我們期待與行業合作伙伴進行合作，進一步推動這些創新策略。”

審核編輯：湯梓紅