硅基圖像傳感器可以檢測有限波長范圍內(nèi)的光，因此在汽車和醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用中具有局限性。可以捕獲可見光范圍以外的光的傳感器，例如短波紅外（SWIR），可以使用III-V族材料制造，這些材料結(jié)合了鎵，銦，鋁和磷等元素。但是，雖然這些傳感器性能良好，但它們的制造需要高度的精度和控制，從而增加了成本。

對較便宜的替代品的研究已經(jīng)產(chǎn)生了薄膜吸收體，如量子點（QD）和其他有機光電二極管（OPD）材料，它們與電子設(shè)備中的CMOS讀出電路兼容，這一優(yōu)勢促進了它們在紅外檢測中的采用。但薄膜吸收體在捕獲紅外光時表現(xiàn)出更高水平的噪聲，導(dǎo)致圖像質(zhì)量較低。眾所周知，它們對 IR 的敏感性較低。

因此，挑戰(zhàn)在于設(shè)計一種經(jīng)濟高效的圖像傳感器，該傳感器使用薄膜吸收器，但提供更好的噪聲性能。Imec通過重新審視1980年代首次用于改善早期CMOS圖像傳感器噪聲的技術(shù)來瞄準(zhǔn)這個問題：固定光電二極管（PPD）。

PPD結(jié)構(gòu)能夠在開始新的捕獲周期之前完全消除電荷，使其成為一種有效的方法，因為傳感器可以重置，而不會產(chǎn)生不必要的背景噪聲（kTC噪聲）或來自先前圖像幀的任何揮之不去的影響。PPD迅速成為消費級硅基圖像傳感器的首選。它們的低噪聲和高功率效率使其成為相機制造商的最愛。

imec的研究人員將PPD結(jié)構(gòu)集成到薄膜晶體管（TFT）圖像傳感器中，以產(chǎn)生混合原型。傳感器結(jié)構(gòu)還使用imec專有的銦鎵鋅氧化物（IGZO）技術(shù)進行電子傳輸。

“你可以稱這種系統(tǒng)為'單片混合'傳感器，其中光電二極管不是CMOS電路的一部分[如CMOS圖像傳感器，其中硅用于光吸收]，而是與另一種材料形成作為光活性層，”imec像素創(chuàng)新項目經(jīng)理Pawel Malinowski告訴EE Times Europe。“這個光電二極管捕獲的光譜是獨立的東西......通過在兩者之間引入額外的薄膜晶體管，它可以分離存儲和讀出節(jié)點，從而可以完全耗盡光電二極管并將所有電荷轉(zhuǎn)移到讀出，從而防止產(chǎn)生kTC噪聲并減少圖像滯后。

與傳統(tǒng)的基于薄膜的像素架構(gòu)不同，imec的TFT混合PPD結(jié)構(gòu)在設(shè)計中引入了一個單獨的薄膜晶體管（TFT），它充當(dāng)傳輸門和光門，換句話說，它充當(dāng)中間人。在這里，imec的IGZO技術(shù)充當(dāng)有效的電子傳輸層，因為它具有更高的電子遷移率。它還充當(dāng)柵極電介質(zhì)，通過控制電荷流和增強吸收特性來幫助提高傳感器的性能。

imec表示，由于新元件戰(zhàn)略性地放置在傳統(tǒng)的PDD結(jié)構(gòu)中，原型4T圖像傳感器顯示出6.1e-的低讀出噪聲，而傳統(tǒng)3T傳感器的讀數(shù)噪聲為>100e-，展示了其卓越的噪聲性能。由于IGZO的大帶隙，TFT混合PPD結(jié)構(gòu)還需要比傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器更低的暗電流。根據(jù)imec的說法，這意味著圖像傳感器可以捕獲紅外圖像，噪聲更少，失真或干擾更少，精度和細節(jié)更高（ 圖1 ）。

圖1：TF-PPD像素結(jié)構(gòu)的頂部（a）和橫截面（b）視圖（來源：imec）

路線圖和應(yīng)用

imec說，通過使用薄膜吸收體，imec的原型圖像傳感器可以在SWIR波長及以上波長下進行檢測。在近紅外范圍內(nèi)工作的圖像傳感器已經(jīng)用于汽車應(yīng)用和iPhone Face ID等消費類應(yīng)用程序。 使用更長的波長，如SWIR，可以通過OLED顯示器更好地傳輸，從而更好地“隱藏”屏幕后面的組件并減少“缺口”。

Malinowski說：“在汽車領(lǐng)域，使用更長的波長可以在惡劣的天氣條件下提供更好的能見度，例如通過霧，煙霧或云層的能見度，[并實現(xiàn)]一些難以區(qū)分與黑暗背景的材料對比度 - 例如，紡織品與照明不足，陰影的地方的高對比度。使用薄膜圖像傳感器可以使入侵者在黑暗條件下的檢測和監(jiān)測更加有效和具有成本效益。它還可以幫助醫(yī)學(xué)成像，使用SWIR來研究靜脈，血流和組織特性。

展望未來，imec計劃使可用于擬議架構(gòu)的薄膜光電二極管多樣化。目前的研究已經(jīng)測試了兩種類型的光電二極管：對近紅外敏感的光電二極管和對SWIR敏感的QD光電二極管。

“目前的發(fā)展重點是實現(xiàn)概念驗證設(shè)備，有許多設(shè)計和工藝變化來達到一個通用模塊，”Malinowski說。“進一步的步驟包括使用不同的光電二極管測試PPD結(jié)構(gòu) - 例如，其他OPD和QDPD版本。此外，下一代設(shè)備計劃專注于更具體的用例，并具有適合特定應(yīng)用的定制讀數(shù)。

“量子點的SWIR成像是進一步發(fā)展的途徑之一，也是成像界高度關(guān)注的話題，”Malinowski補充道。“我們愿意與行業(yè)參與者合作，探索和完善這項令人興奮的傳感器技術(shù)。