IMEC将薄膜钉扎光电二极管集成到性能优异的短波红外成像传感器中

半导体芯科技编译

来源：IMEC

日前，世界领先的纳米电子学和数字技术研究与创新中心IMEC展示了钉扎光电二极管结构在薄膜图像传感器中的成功集成。通过添加钉扎光电栅和传输栅，薄膜成像器的优异吸收性能（超过1µm波长）最终可以得到利用，从而以经济高效的方式释放超出可见光范围的传感光的潜力。

检测可见光以外的波长（例如红外光）具有明显的优势。其应用包括自动驾驶汽车中用于“透视”烟雾或雾气的摄像头，以及通过人脸识别解锁智能手机的摄像头。虽然可以通过硅基成像仪检测可见光，但对于更长的波长，例如短波红外（SWIR），则需要其他半导体。

使用III-V族材料可以克服这种检测限制。然而，制造这些吸收体的成本昂贵，限制了其使用。相比之下，近期使用薄膜吸收体（例如量子点）的传感器已成为一种十分有前景的替代方案。其具有优异的吸收特性以及与传统（CMOS）读出电路集成的潜力。然而，这种红外传感器的噪声性能较差，会导致图像质量较差。

早在20世纪80年代，硅基CMOS图像传感器就引入了钉扎光电二极管（PPD）结构。这种结构引入了一个额外的晶体管栅极和一个特殊的光电探测器结构，通过该结构，可以在集成开始之前完全耗尽电荷（允许在没有kTC噪声和前一帧影响的情况下进行复位操作）。因此，由于较低的噪声和改进的功率性能，PPD在硅基图像传感器的消费市场中占据主导地位。除了硅基成像之外，由于混合两种不同的半导体系统存在困难，到目前为止还不能整合这种结构。

现在，IMEC展示了将PPD结构成功融入薄膜图像传感器的读出电路中；是同类中的首个案例。SWIR量子点光电探测器与氧化铟镓锌（IGZO）基薄膜晶体管单片混合成PPD像素。该阵列随后在CMOS读出电路上进行处理，形成优质的薄膜SWIR图像传感器。

IMEC“薄膜钉扎光电二极管”项目负责人Nikolas Papadopoulos表示：“原型4T图像传感器显示出6.1e-的显着低的读出噪声，而传统3T传感器的读出噪声则超过100e-，展示了其优异的噪声性能”，因此，可以以更少的噪声、失真或干扰以及更高的精度和细节捕获红外图像。

IMEC“像素创新”项目经理Pawel Malinowski补充道：“在IMEC，凭借我们在薄膜光电二极管、IGZO、图像传感器和薄膜晶体管方面的综合专业知识，我们处于连接红外和成像仪领域的最前沿。通过实现这一里程碑，我们超越了当前的像素架构限制，展示了一种将性能最佳的量子点SWIR像素与高效益的制造相结合的方法。未来计划包括在各种类型的薄膜光电二极管中优化该技术，以及扩大其在硅成像以外的传感器中的应用。我们期待与行业合作伙伴进行合作，进一步推动这些创新策略。”

审核编辑：汤梓红