Imec致力于打造更好的SWIR传感器

硅基图像传感器可以检测有限波长范围内的光，因此在汽车和医学成像等应用中具有局限性。可以捕获可见光范围以外的光的传感器，例如短波红外（SWIR），可以使用III-V族材料制造，这些材料结合了镓，铟，铝和磷等元素。但是，虽然这些传感器性能良好，但它们的制造需要高度的精度和控制，从而增加了成本。

对较便宜的替代品的研究已经产生了薄膜吸收体，如量子点（QD）和其他有机光电二极管（OPD）材料，它们与电子设备中的CMOS读出电路兼容，这一优势促进了它们在红外检测中的采用。但薄膜吸收体在捕获红外光时表现出更高水平的噪声，导致图像质量较低。众所周知，它们对 IR 的敏感性较低。

因此，挑战在于设计一种经济高效的图像传感器，该传感器使用薄膜吸收器，但提供更好的噪声性能。Imec通过重新审视1980年代首次用于改善早期CMOS图像传感器噪声的技术来瞄准这个问题：固定光电二极管（PPD）。

PPD结构能够在开始新的捕获周期之前完全消除电荷，使其成为一种有效的方法，因为传感器可以重置，而不会产生不必要的背景噪声（kTC噪声）或来自先前图像帧的任何挥之不去的影响。PPD迅速成为消费级硅基图像传感器的首选。它们的低噪声和高功率效率使其成为相机制造商的最爱。

imec的研究人员将PPD结构集成到薄膜晶体管（TFT）图像传感器中，以产生混合原型。传感器结构还使用imec专有的铟镓锌氧化物（IGZO）技术进行电子传输。

“你可以称这种系统为'单片混合'传感器，其中光电二极管不是CMOS电路的一部分[如CMOS图像传感器，其中硅用于光吸收]，而是与另一种材料形成作为光活性层，”imec像素创新项目经理Pawel Malinowski告诉EE Times Europe。“这个光电二极管捕获的光谱是独立的东西......通过在两者之间引入额外的薄膜晶体管，它可以分离存储和读出节点，从而可以完全耗尽光电二极管并将所有电荷转移到读出，从而防止产生kTC噪声并减少图像滞后。

与传统的基于薄膜的像素架构不同，imec的TFT混合PPD结构在设计中引入了一个单独的薄膜晶体管（TFT），它充当传输门和光门，换句话说，它充当中间人。在这里，imec的IGZO技术充当有效的电子传输层，因为它具有更高的电子迁移率。它还充当栅极电介质，通过控制电荷流和增强吸收特性来帮助提高传感器的性能。

imec表示，由于新元件战略性地放置在传统的PDD结构中，原型4T图像传感器显示出6.1e-的低读出噪声，而传统3T传感器的读数噪声为>100e-，展示了其卓越的噪声性能。由于IGZO的大带隙，TFT混合PPD结构还需要比传统CMOS图像传感器更低的暗电流。根据imec的说法，这意味着图像传感器可以捕获红外图像，噪声更少，失真或干扰更少，精度和细节更高（ 图1 ）。

图1：TF-PPD像素结构的顶部（a）和横截面（b）视图（来源：imec）

路线图和应用

imec说，通过使用薄膜吸收体，imec的原型图像传感器可以在SWIR波长及以上波长下进行检测。在近红外范围内工作的图像传感器已经用于汽车应用和iPhone Face ID等消费类应用程序。 使用更长的波长，如SWIR，可以通过OLED显示器更好地传输，从而更好地“隐藏”屏幕后面的组件并减少“缺口”。

Malinowski说：“在汽车领域，使用更长的波长可以在恶劣的天气条件下提供更好的能见度，例如通过雾，烟雾或云层的能见度，[并实现]一些难以区分与黑暗背景的材料对比度 - 例如，纺织品与照明不足，阴影的地方的高对比度。使用薄膜图像传感器可以使入侵者在黑暗条件下的检测和监测更加有效和具有成本效益。它还可以帮助医学成像，使用SWIR来研究静脉，血流和组织特性。

展望未来，imec计划使可用于拟议架构的薄膜光电二极管多样化。目前的研究已经测试了两种类型的光电二极管：对近红外敏感的光电二极管和对SWIR敏感的QD光电二极管。

“目前的发展重点是实现概念验证设备，有许多设计和工艺变化来达到一个通用模块，”Malinowski说。“进一步的步骤包括使用不同的光电二极管测试PPD结构 - 例如，其他OPD和QDPD版本。此外，下一代设备计划专注于更具体的用例，并具有适合特定应用的定制读数。

“量子点的SWIR成像是进一步发展的途径之一，也是成像界高度关注的话题，”Malinowski补充道。“我们愿意与行业参与者合作，探索和完善这项令人兴奋的传感器技术。