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imec整合固定式光電二極體 打造先進薄膜影像感測器

比利時微電子研究中心 (imec) 今 (25) 日表示,在薄膜影像感測器上成功整合固定式光電二極體 (PPD) 結構,透過新增固定式光閘極 (pinned photogate) 和一個傳輸閘極,讓用於波長 1 微米以下的薄膜感測器發揮更優異的吸收特性,為可見光波段以外的感測技術釋放具備高成本效益的發展潛能。

imec 指出,此次技術可偵測可見光範圍外的波長,如紅外線,可應用在自駕車內,用來「看」清雲霧的攝影機,以及利用人臉辨識來解鎖智慧型手機的鏡頭。儘管矽基材料製成的影像感測器能偵測到可見光,但如果要偵測其它更長的波段,像是短波紅外線 (SWIR),其它的半導體材料不可或缺。

儘管採用三五族材料能克服此項偵測限制,但製造這些吸光材料的造價高昂,限制其應用,而導入如量子點 (quantum dot) 等薄膜吸收層的感測器因吸收特性更佳,近期成為具備發展潛力的替代選擇,還有可能與傳統的 (CMOS) 讀取電路進行整合,不過,這些紅外線感測器的雜訊較多,導致成像品質降低。

早在 1980 年代,固定式光電二極體的結構就開始導入矽基 CMOS 影像感測器,該結構額外增設一個電晶體閘極,並採用一種特殊的光偵測器結構,透過這些設計,電荷在開始進行積分前就會完全耗盡,使得重置作業能在既無 kTC 雜訊也不受前幀影響的情況下進行。

因此具備較低雜訊及更佳功率性能的固定式光電二極體,成為矽基影像感測器在消費性市場的主流技術,但是過去無法在矽材成像技術外的領域導入相關元件結構,原因在於混用兩種不同的半導體系統有其難度。

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不過,imec 首次展示將固定式光電二極體整合在薄膜影像感測器讀取電路上的成功案例,利用一個短波紅外線量子點光偵測器成功與一個氧化銦鎵鋅 (IGZO) 薄膜電晶體進行單片異質整合,共同組成一個固定式光電二極體的像素。

接著,該陣列在 CMOS 讀取電路上進行加工,形成更先進的薄膜短波紅外線影像感測器。imec 薄膜固定式光電二極體 (Thin-Film Pinned Photodiode) 研究計畫主持人 Nikolas Papadopoulos 表示,採用 4T 設計的影像感測器原型展現了僅僅 6.1e - 的極低讀取雜訊,與雜訊大於 100e - 的典型 3T 感測器相比,可見其在雜訊方面的表現更勝一籌。 藉此就能捕捉具備更低雜訊、失真或干擾且更準確、更富細節的紅外線影像。

imec 像素創新研究計畫經理 Pawel Malinowski 補充,要銜接紅外線感測與影像設備的技術差異,有賴在薄膜光電二極體、氧化銦鎵鋅 (IGZO)、影像感測器和薄膜電晶體方面的跨域整合專業。透過此次建立技術里程碑,已超越現有的像素架構限制,並展示了整合高效量子點短波紅外線像素與平價量產的技術途徑。

imec 未來會運用多種類型的薄膜光電二極體來優化這項技術,並擴展其在矽材成像以外的感測器應用。我們期待與業界夥伴合作,推展更多的相關創新。

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