理论进光率100%！CMOS迎来巨大突破

电子发烧友网报道（文 / 吴子鹏）受限于光学分光机制与材料特性，硅图像传感器（CMOS）中每个像素仅能接收到约三分之一的可用光。光接收量与信号强度呈线性正相关，因此传统硅图像传感器常需通过延长曝光时间或提高 ISO 增益进行补偿。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）与瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）联合研发的钙钛矿图像传感器，成为材料科学与光电技术领域的一项重大突破，相关成果已发表于《自然》杂志。

硅图像传感器的性能瓶颈

硅图像传感器作为当前主流成像技术的核心，其性能受材料物理特性、器件结构及工艺制程的限制。

硅基 CMOS 传感器普遍采用拜耳滤光片阵列（Bayer Filter Array）实现彩色成像。在该结构中，每个像素被红（R）、绿（G）、蓝（B）三色滤光片周期性覆盖，通常比例为 2 绿：1 红：1 蓝。光线入射时，每个像素仅能通过对应颜色的滤光片吸收特定波长的光，其他波长的光（如红光像素会阻挡绿光和蓝光）被滤光片吸收或反射，造成能量损失。这种设计使得每个像素的光利用率理论上限为 33%，但实际因滤光片吸收率、光散射和电路结构遮挡，有效光利用率更低。

同时，硅材料的光学特性存在局限。硅的带隙约为 1.1eV，光吸收范围主要集中在可见光波段（波长 < 1100nm）。尽管硅对可见光的吸收效率较高，但滤光片的分光机制使每个像素仅能利用特定波长的光，无法实现全光谱吸收。此外，硅传感器的前照式结构（FSI）中，光电二极管位于电路晶体管下方，金属布线和微透镜会进一步阻挡入射光，增加光损失。

由于每个像素仅记录单一颜色信息，硅传感器需通过去马赛克算法（Demosaicing）插值估算缺失的色彩数据，这一过程可能引入噪点和细节模糊。为补偿光损失，传感器提高增益或延长曝光时间，会加剧暗电流噪声和动态范围压缩。此外，滤光片分光还可能导致摩尔纹（Moiré Pattern）和色彩串扰（Cross-Talk），降低成像质量。

钙钛矿传感器的颠覆性突破

为克服硅图像传感器的性能瓶颈，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的 Maksym Kovalenko 及其团队研发出新型钙钛矿基图像传感器。

瑞士团队通过垂直堆叠不同带隙的钙钛矿层，彻底重构了彩色成像机制。光线可依次穿透各层，红光被底层吸收，绿光被中层吸收，蓝光被顶层吸收。这种设计使每个像素可同时捕获红、绿、蓝三色光，无需滤光片，理论上光利用率可达硅传感器的 3 倍，光利用率理论上限为 100%。

实验显示，钙钛矿传感器的红、绿、蓝通道外量子效率（EQE）分别达 50%、47% 和 53%，显著优于硅传感器的滤光片方案。由于无需去马赛克算法，钙钛矿传感器从硬件层面消除了摩尔纹和色彩偏差，色彩准确度（ΔELab）优于传统滤光片阵列和 Foveon 型传感器。此外，钙钛矿的高吸收系数（比硅高 1 - 2 个数量级）使其在弱光环境下仍能保持高灵敏度，暗电流噪声和信噪比表现优异。

另外，钙钛矿传感器提供 “硬件原生高质量数据”，可省去大部分后端算法优化，重构产业成本模型。

钙钛矿传感器的落地挑战

不过，钙钛矿传感器也面临诸多落地难题。钙钛矿材料对湿度、氧气、温度和光照极为敏感，水分子易渗透钙钛矿晶体结构，导致晶格畸变和离子迁移，引发光电性能衰减，甚至分解为铅盐和有机胺。钙钛矿中的有机阳离子和卤素离子在电场或光照下易发生迁移，导致像素间的串扰、暗电流增大和信号漂移，直接影响图像的信噪比（SNR）和动态范围（DR），在高分辨率传感器中，像素尺寸缩小会加剧离子迁移的影响，导致图像失真。

此外，硅基图像传感器依赖成熟的半导体光刻、薄膜沉积工艺，可实现纳米级精度的像素阵列制备。而钙钛矿薄膜常用溶液法制备，实现大面积均匀结晶难度极大。如何在不损伤现有 CMOS 电路的前提下制备钙钛矿层，以及实现高密度像素的精准对位，仍是工程化应用中的关键难题。