2023年8月14日在比利時魯汶,imec作為奈米電子學和數字技術領域的全球領先研發和創新中心,宣佈成功集成了固定光電二極體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卓越吸收品質終於可以被利用,以一種具成本效益的方式解鎖感知可見光之外光線的潛力。

檢測可見光範圍之外的波長,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,以及用於通過面部識別解鎖智慧型手機的攝像頭。雖然可見光可以通過基於矽的成像器檢測,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,製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。它們具有卓越的吸收特性和與傳統CMOS讀出電路集成的潛力。儘管如此,這種紅外線傳感器的噪聲效能較差,導致圖像品質較差。

早在20世紀80年代,固定光電二極體(PPD)結構就在矽CMOS圖像傳感器中引入。該結構引入了一個額外的電晶體柵極和一個特殊的光檢測器結構,通過該結構,charges可以在積分開始前完全排空(允許在沒有kTC噪聲或前一幀影響的情況下復位)。因此,由於噪聲更小、功耗效能更好,PPD主導了基於矽的圖像傳感器的消費者市場。 在矽成像之外,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)薄膜電晶體單片集成成PPD像素。 隨後,該陣列被進一步處理在CMOS讀出電路上以形成一個卓越的薄膜SWIR圖像傳感器。 imec的“薄膜固定光電二極體”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-,證明了其卓越的噪聲效能。” 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於領先地位,這要歸功於我們在薄膜光電二極體、IGZO、圖像傳感器和薄膜電晶體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,並展示了一種將效能最佳的量子點SWIR像素與經濟實用的製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體中的應用,以及擴大其在矽成像之外的傳感器中的應用。我們期待通過與行業夥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》雜誌”具有固定光電二極體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。

J. Lee et al. Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure, Nature Electronics 2023. 原文連結: https://www.nature.com/articles/s41928-023-01016-9

摘要

使用矽互補金屬氧化物半導體技術製造的圖像傳感器廣泛應用於各種電子設備,通常依賴固定光電二極體結構。 基於薄膜的光電二極體可以具有比矽器件更高的吸收係數和更寬的波長範圍。 但是,它們在圖像傳感器中的使用受到高 kTC噪聲、暗電流和圖像滯後等因素的限制。 在這裡,我們展示了具有固定光電二極體結構的基於薄膜的圖像傳感器可以具有與矽固定光電二極體像素相當的噪聲效能。 我們將一種可見近紅外有機光電二極體或短波紅外量子點光電二極體與薄膜電晶體和矽讀出電路集成在一起。 薄膜固定光電二極體結構表現出低 kTC噪聲、抑制暗電流、高滿量容和高電子電壓轉換增益,並保留了薄膜材料的優點。 基於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–。