硅基圖像傳感器可以檢測有限波長范圍內的光，因此在汽車和醫學成像等應用中具有局限性。可以捕獲可見光范圍以外的光的傳感器，例如短波紅外（SWIR），可以使用III-V族材料制造，這些材料結合了鎵，銦，鋁和磷等元素。但是，雖然這些傳感器性能良好，但它們的制造需要高度的精度和控制，從而增加了成本。

對較便宜的替代品的研究已經產生了薄膜吸收體，如量子點（QD）和其他有機光電二極管（OPD）材料，它們與電子設備中的CMOS讀出電路兼容，這一優勢促進了它們在紅外檢測中的采用。但薄膜吸收體在捕獲紅外光時表現出更高水平的噪聲，導致圖像質量較低。眾所周知，它們對 IR 的敏感性較低。

因此，挑戰在于設計一種經濟高效的圖像傳感器，該傳感器使用薄膜吸收器，但提供更好的噪聲性能。Imec通過重新審視1980年代首次用于改善早期CMOS圖像傳感器噪聲的技術來瞄準這個問題：固定光電二極管（PPD）。

PPD結構能夠在開始新的捕獲周期之前完全消除電荷，使其成為一種有效的方法，因為傳感器可以重置，而不會產生不必要的背景噪聲（kTC噪聲）或來自先前圖像幀的任何揮之不去的影響。PPD迅速成為消費級硅基圖像傳感器的首選。它們的低噪聲和高功率效率使其成為相機制造商的最愛。

imec的研究人員將PPD結構集成到薄膜晶體管（TFT）圖像傳感器中，以產生混合原型。傳感器結構還使用imec專有的銦鎵鋅氧化物（IGZO）技術進行電子傳輸。

“你可以稱這種系統為'單片混合'傳感器，其中光電二極管不是CMOS電路的一部分[如CMOS圖像傳感器，其中硅用于光吸收]，而是與另一種材料形成作為光活性層，”imec像素創新項目經理Pawel Malinowski告訴EE Times Europe。“這個光電二極管捕獲的光譜是獨立的東西......通過在兩者之間引入額外的薄膜晶體管，它可以分離存儲和讀出節點，從而可以完全耗盡光電二極管并將所有電荷轉移到讀出，從而防止產生kTC噪聲并減少圖像滯后。

與傳統的基于薄膜的像素架構不同，imec的TFT混合PPD結構在設計中引入了一個單獨的薄膜晶體管（TFT），它充當傳輸門和光門，換句話說，它充當中間人。在這里，imec的IGZO技術充當有效的電子傳輸層，因為它具有更高的電子遷移率。它還充當柵極電介質，通過控制電荷流和增強吸收特性來幫助提高傳感器的性能。

imec表示，由于新元件戰略性地放置在傳統的PDD結構中，原型4T圖像傳感器顯示出6.1e-的低讀出噪聲，而傳統3T傳感器的讀數噪聲為>100e-，展示了其卓越的噪聲性能。由于IGZO的大帶隙，TFT混合PPD結構還需要比傳統CMOS圖像傳感器更低的暗電流。根據imec的說法，這意味著圖像傳感器可以捕獲紅外圖像，噪聲更少，失真或干擾更少，精度和細節更高（ 圖1 ）。

圖1：TF-PPD像素結構的頂部（a）和橫截面（b）視圖（來源：imec）

路線圖和應用

imec說，通過使用薄膜吸收體，imec的原型圖像傳感器可以在SWIR波長及以上波長下進行檢測。在近紅外范圍內工作的圖像傳感器已經用于汽車應用和iPhone Face ID等消費類應用程序。 使用更長的波長，如SWIR，可以通過OLED顯示器更好地傳輸，從而更好地“隱藏”屏幕后面的組件并減少“缺口”。

Malinowski說：“在汽車領域，使用更長的波長可以在惡劣的天氣條件下提供更好的能見度，例如通過霧，煙霧或云層的能見度，[并實現]一些難以區分與黑暗背景的材料對比度 - 例如，紡織品與照明不足，陰影的地方的高對比度。使用薄膜圖像傳感器可以使入侵者在黑暗條件下的檢測和監測更加有效和具有成本效益。它還可以幫助醫學成像，使用SWIR來研究靜脈，血流和組織特性。

展望未來，imec計劃使可用于擬議架構的薄膜光電二極管多樣化。目前的研究已經測試了兩種類型的光電二極管：對近紅外敏感的光電二極管和對SWIR敏感的QD光電二極管。

“目前的發展重點是實現概念驗證設備，有許多設計和工藝變化來達到一個通用模塊，”Malinowski說。“進一步的步驟包括使用不同的光電二極管測試PPD結構 - 例如，其他OPD和QDPD版本。此外，下一代設備計劃專注于更具體的用例，并具有適合特定應用的定制讀數。

“量子點的SWIR成像是進一步發展的途徑之一，也是成像界高度關注的話題，”Malinowski補充道。“我們愿意與行業參與者合作，探索和完善這項令人興奮的傳感器技術。