2023年8月14日在比利時(shí)魯汶，imec作為納米電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域的全球研發(fā)和創(chuàng)新中心宣布成功集成了固定光電二極管結(jié)構(gòu)到薄膜圖像傳感器中。通過(guò)添加固定光電柵和傳輸柵,薄膜成像器超過(guò)一微米波長(zhǎng)的吸收質(zhì)量終于可以被利用,以一種成本效益的方式解鎖感知可見(jiàn)光之外光線(xiàn)的潛力。

檢測(cè)可見(jiàn)光范圍之外的波長(zhǎng),例如紅外光,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)上的攝像頭,以“看穿”煙霧或霧靄,以及用于通過(guò)面部識(shí)別解鎖智能手機(jī)的攝像頭。雖然可見(jiàn)光可以通過(guò)基于硅的成像器檢測(cè),但需要其他半導(dǎo)體材料來(lái)檢測(cè)更長(zhǎng)的波長(zhǎng),比如短波紅外線(xiàn)(SWIR)。

使用III-V材料可以克服這一檢測(cè)局限。然而,制造這些吸收體的成本非常高,限制了它們的使用。相比之下,使用薄膜吸收體(如量子點(diǎn))的傳感器最近出現(xiàn)為一個(gè)有前景的替代方案。它們具有良好的吸收特性和與傳統(tǒng)CMOS讀出電路集成的潛力。盡管如此,這種紅外線(xiàn)傳感器的噪聲性能較差,導(dǎo)致圖像質(zhì)量較差。

早在20世紀(jì)80年代,固定光電二極管(PPD)結(jié)構(gòu)就在硅CMOS圖像傳感器中引入。該結(jié)構(gòu)引入了一個(gè)額外的晶體管柵極和一個(gè)特殊的光檢測(cè)器結(jié)構(gòu),通過(guò)該結(jié)構(gòu), charges可以在積分開(kāi)始前全部排空(允許在沒(méi)有kTC噪聲或前一幀影響的情況下復(fù)位)。因此,由于噪聲更小、功耗性能更好,PPD主導(dǎo)了基于硅的圖像傳感器的消費(fèi)者市場(chǎng)。 在硅成像之外,至今還不可能集成此結(jié)構(gòu),因?yàn)殡y以混合兩種不同的半導(dǎo)體系統(tǒng)。

現(xiàn)在,imec在薄膜圖像傳感器的讀出電路中成功集成了PPD結(jié)構(gòu)。 一種SWIR量子點(diǎn)光電檢波器與一種氧化銦鎵鋅(IGZO)薄膜晶體管單片集成成PPD像素。 隨后,該陣列被進(jìn)一步處理在CMOS讀出電路上以形成一個(gè)完整的薄膜SWIR圖像傳感器。 imec的“薄膜固定光電二極管”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Nikolas Papadopoulos 表示:“配備4T像素的原型傳感器表現(xiàn)出顯著低的讀出噪聲6.1e-,相比之下,傳統(tǒng)的3T傳感器超過(guò)100e-,證明了其良好的噪聲性能。” 因此,紅外圖像的拍攝噪聲、失真或干擾更小,準(zhǔn)確性和細(xì)節(jié)更高。

imec像素創(chuàng)新項(xiàng)目經(jīng)理Pawel Malinowski補(bǔ)充說(shuō):“在imec,我們正在紅外線(xiàn)和成像器的交匯處處于地位,這要?dú)w功于我們?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(zhuān)業(yè)知識(shí)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)這一里程碑,我們克服了當(dāng)前像素架構(gòu)的局限性,并展示了一種將性能最佳的量子點(diǎn)SWIR像素與經(jīng)濟(jì)實(shí)用的制造方法相結(jié)合的方法。下一步包括優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)在各種類(lèi)型的薄膜光電二極管中的應(yīng)用,以及擴(kuò)大其在硅成像之外的傳感器中的應(yīng)用。我們期待通過(guò)與行業(yè)伙伴的合作進(jìn)一步推進(jìn)這些創(chuàng)新。“

研究結(jié)果發(fā)表在2023年8月《自然電子學(xué)》雜志"具有固定光電二極管結(jié)構(gòu)的薄膜圖像傳感器"。初步結(jié)果在2023年國(guó)際圖像傳感器研討會(huì)上呈現(xiàn)。

原文: J. Lee et al. Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure, Nature Electronics 2023.

摘要

使用硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)制造的圖像傳感器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備,通常依賴(lài)固定光電二極管結(jié)構(gòu)。 基于薄膜的光電二極管可以具有比硅器件更高的吸收系數(shù)和更寬的波長(zhǎng)范圍。 但是,它們?cè)趫D像傳感器中的使用受到高kTC噪聲、暗電流和圖像滯后等因素的限制。 在這里,我們展示了具有固定光電二極管結(jié)構(gòu)的基于薄膜的圖像傳感器可以具有與硅固定光電二極管像素相當(dāng)?shù)脑肼曅阅堋?我們將一種可見(jiàn)近紅外有機(jī)光電二極管或短波紅外量子點(diǎn)光電二極管與薄膜晶體管和硅讀出電路集成在一起。 薄膜固定光電二極管結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出低kTC噪聲、抑制暗電流、高滿(mǎn)量容和高電子電壓轉(zhuǎn)換增益,并保留了薄膜材料的優(yōu)點(diǎn)。 基于有機(jī)吸收體的圖像傳感器在940 nm處的量子效率為54%,讀出噪聲為6.1e–。