2023年8月14日在比利時魯汶，imec作為納米電子學和數字技術領域的全球研發和創新中心宣布成功集成了固定光電二極管結構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,具有明顯的優勢。應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,導致圖像質量較差。

早在20世紀80年代,固定光電二極管(PPD)結構就在硅CMOS圖像傳感器中引入。該結構引入了一個額外的晶體管柵極和一個特殊的光檢測器結構,通過該結構, 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位)。因此,由于噪聲更小、功耗性能更好,PPD主導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構,因為難以混合兩種不同的半導體系統。

現在,imec在薄膜圖像傳感器的讀出電路中成功集成了PPD結構。 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"項目負責人Nikolas Papadopoulos 表示:“配備4T像素的原型傳感器表現出顯著低的讀出噪聲6.1e-,相比之下,傳統的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,準確性和細節更高。

imec像素創新項目經理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知識。通過實現這一里程碑,我們克服了當前像素架構的局限性,并展示了一種將性能最佳的量子點SWIR像素與經濟實用的制造方法相結合的方法。下一步包括優化這項技術在各種類型的薄膜光電二極管中的應用,以及擴大其在硅成像之外的傳感器中的應用。我們期待通過與行業伙伴的合作進一步推進這些創新。“

研究結果發表在2023年8月《自然電子學》雜志"具有固定光電二極管結構的薄膜圖像傳感器"。初步結果在2023年國際圖像傳感器研討會上呈現。

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體技術制造的圖像傳感器廣泛應用于各種電子設備,通常依賴固定光電二極管結構。 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構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的噪聲性能。 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構表現出低kTC噪聲、抑制暗電流、高滿量容和高電子電壓轉換增益,并保留了薄膜材料的優點。 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–。