2023年8月14日在比利時魯汶，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。通過添加固定光電柵和傳輸柵,薄膜成像器超過一微米波長的吸收質(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光之外光線的潛力。

檢測可見光范圍之外的波長,例如紅外光,具有明顯的優(yōu)勢。應(yīng)用包括自動駕駛汽車上的攝像頭,以“看穿"煙霧或霧靄,以及用于通過面部識別解鎖智能手機的攝像頭。雖然可見光可以通過基于硅的成像器檢測,但需要其他半導(dǎo)體材料來檢測更長的波長,比如短波紅外線(SWIR)。

使用III-V材料可以克服這一檢測局限。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)的傳感器最近出現(xiàn)為一個有前景的替代方案。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)引入了一個額外的晶體管柵極和一個特殊的光檢測器結(jié)構(gòu),通過該結(jié)構(gòu), charges可以在積分開始前全部排空(允許在沒有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者市場。 在硅成像之外,至今還不可能集成此結(jié)構(gòu),因為難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完整的薄膜SWIR圖像傳感器。 imec的“薄膜固定光電二極管"項目負(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)新項目經(jīng)理Pawel Malinowski補充說:“在imec,我們正在紅外線和成像器的交匯處處于地位,這要歸功于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(yè)知識。通過實現(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SWIR像素與經(jīng)濟實用的制造方法相結(jié)合的方法。下一步包括優(yōu)化這項技術(shù)在各種類型的薄膜光電二極管中的應(yīng)用,以及擴大其在硅成像之外的傳感器中的應(yīng)用。我們期待通過與行業(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年國際圖像傳感器研討會上呈現(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)和更寬的波長范圍。 但是,它們在圖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?我們將一種可見近紅外有機光電二極管或短波紅外量子點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。 基于有機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–。