內(nèi)外紫外增強(qiáng)圖像傳感器的研究進(jìn)展

近年來(lái)圖像傳感器在紫外成像方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是以CCD和CMOS為主的紫外圖像傳感器受到了研究人員的廣泛關(guān)注。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和納米材料的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了紫外圖像傳感器的研究。

固態(tài)紫外圖像傳感器以其體積小、壽命長(zhǎng)、耐惡劣環(huán)境、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注，然而其熱噪聲較大、成本較高、響應(yīng)波長(zhǎng)受真空紫外波段限制，所以在高信噪比電路讀出和摻雜缺陷抑制方面亟待進(jìn)一步研究。相比之下，以CMOS/CCD為基礎(chǔ)的硅基紫外圖像傳感器更易實(shí)現(xiàn)大面陣，成本比其他類型的圖像傳感器更低，性能也足以和真空型紫外圖像傳感器媲美，以及高分辨、低噪聲和高幀率的優(yōu)點(diǎn)使得硅基紫外圖像傳感器在短時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)紫外成像市場(chǎng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，昆明物理研究所唐利斌研究員課題組在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“紫外增強(qiáng)圖像傳感器的研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。唐利斌研究員主要從事光電材料與器件的研究工作。

這項(xiàng)研究綜述了國(guó)內(nèi)外紫外增強(qiáng)圖像傳感器的研究進(jìn)展，介紹了幾種增強(qiáng)器件紫外響應(yīng)的材料，另外還簡(jiǎn)要概述了紫外圖像傳感器在生化分析、大氣監(jiān)測(cè)、天文探測(cè)等方面的應(yīng)用，并討論了CCD/CMOS圖像傳感器在紫外探測(cè)方面所面臨的挑戰(zhàn)。

CMOS是金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器，其成像原理為每個(gè)像素都有自己的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)像素單獨(dú)完成電荷電壓的轉(zhuǎn)換，直接將電荷轉(zhuǎn)換成電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，這使得CMOS的整體讀出效率非常高。與之相似的CCD有著體積小、壽命長(zhǎng)、靈敏度高、畸變小等特性，其工作原理為CCD是在像素上增加電壓，把像素里的電荷一個(gè)一個(gè)地從縱向逼到和它相鄰的像素里面，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)共同輸出端，再經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信息，最終實(shí)現(xiàn)成像。

圖像傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖：(a)、(b)、(c)和(d)分別為CCD、CMOS、前照式圖像傳感器結(jié)構(gòu)和背照式圖像傳感器結(jié)構(gòu)；(e)堆棧式CMOS圖像傳感器；(f)具有Cu-Cu雜化鍵合的新型堆棧式背照CMOS圖像傳感器及器件截面圖

雖然CMOS圖像傳感器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍都沒(méi)有CCD圖像傳感器高，但因?yàn)槠涞统杀竞透呒啥鹊葍?yōu)勢(shì)，再加上近年來(lái)集成電路技術(shù)、電路消音技術(shù)和半導(dǎo)體電子技術(shù)的快速發(fā)展，CMOS圖像傳感器有了質(zhì)的飛躍，彌補(bǔ)了CCD圖像傳感器的劣勢(shì)，二者在圖像傳感器領(lǐng)域相輔相成。

紫外響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的基本原理是利用材料吸收紫外輻射后發(fā)射的熒光與圖像傳感器響應(yīng)靈敏度高的波段相匹配的特性，從而來(lái)增強(qiáng)傳感器的紫外響應(yīng)能力。

量子點(diǎn)增強(qiáng)紫外CMOS器件

紫外增強(qiáng)圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步使其在各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如天文探測(cè)、生化分析、大氣監(jiān)測(cè)、電暈放電、日盲檢測(cè)等。近年來(lái)，紫外成像技術(shù)被引入制藥領(lǐng)域，用于片劑的質(zhì)量控制。

硅半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了圖像傳感器的發(fā)展，在可靠性、集成度、大面陣、成本等方面都有明顯的進(jìn)步，由于硅本身性質(zhì)使得圖像傳感器在紫外波段的低響應(yīng)率、低量子效率限制了其進(jìn)一步發(fā)展。伴隨紫外探測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用需求，發(fā)展高響應(yīng)率、高量子效率的紫外圖像傳感器仍面臨一些挑戰(zhàn)：（1）盡管目前可以用半導(dǎo)體工藝（背減薄、表面離子注入、激光退火和減反射膜）來(lái)改善圖像傳感器在紫外波段的響應(yīng)能力，但其整體效果不太理想；（2）雖然可以通過(guò)傳統(tǒng)的Lumogen、暈苯等有機(jī)熒光轉(zhuǎn)換材料提升圖像傳感器的紫外探測(cè)效率，但綜合其穩(wěn)定性、熒光量子產(chǎn)率、成本和光學(xué)性能來(lái)考慮，需要進(jìn)一步研究新的有機(jī)發(fā)光材料體系；（3）量子點(diǎn)材料與聚合物的非原位復(fù)合會(huì)引起相鄰量子點(diǎn)發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致其熒光量子產(chǎn)率和量子點(diǎn)薄膜透過(guò)率不高。綜合來(lái)看，紫外增強(qiáng)圖像傳感器相較于GaAlN基紫外焦平面探測(cè)器具有成本低、工藝與硅基器件兼容等特點(diǎn)，仍然值得在此方向開(kāi)展相關(guān)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。

該項(xiàng)目獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB2203404）和云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2018HC020）的支持。該研究第一作者為昆明物理研究所碩士研究生羅磊，主要從事紫外增強(qiáng)CMOS圖像傳感器的研究工作。

審核編輯 ：李倩