像素密度创纪录！比利时imec开发出单片量子点薄膜SWIR图像传感器

11月7日消息，据报道，比利时鲁汶纳米电子和数字技术研究与创新中心imec展示了一种能够捕捉近红外（NIR）和短波红外（SWIR）光的新型单片薄膜图像传感器。据imec估计，与现有红外探测器相比，这种单片集成方案有望在制造产量和成本方面获得一个数量级的改善，同时还能实现数百万像素的分辨率。

红外探测器应用非常广泛，而imec的新技术将极大地扩展其应用可能，包括安防监视、生物识别、虚拟/增强现实（VR/AR）、机器视觉以及工业自动化等。

上图为可以捕捉SWIR光谱的图像传感器晶圆。与现有的常规红外探测器相比，以晶圆级工艺生产的新型薄膜成像传感器在实现数百万像素分辨率的同时，可以大幅提高产量、降低成本。

迄今为止，红外探测器都是通过混合技术制造的：晶体半导体探测器和电子读出电路分别制造，然后进行像素或芯片级互连。这是一种高成本且耗时的低产量制造工艺，导致传感器的分辨率受到限制，且通常需要冷却以降低黑暗条件下的信号噪声。

这阻碍了红外探测器在消费类领域的广泛应用。一直以来，研究人员都在研究各种单片集成方案。据imec称，其方案为高分辨率、低成本、晶圆级SWIR传感器铺平了道路。

imec开发的这款红外探测器由一种新颖的薄膜光电探测器像素堆栈组成，这些像素堆栈基于直接沉积在电子读出电路顶部的量子点。它们采用与晶圆级规模生产兼容的单片工艺制造。其像素嵌入了新开发的高性能低带隙量子点材料，这种材料的性能达到甚至超越了传统的无机光吸收材料。精心设计的像素堆栈可以进行调整，以捕捉从可见光一直到2 µm波长的光谱。

imec开发的硅基板上的光电二极管测试原型在940 nm处实现了60%以上的外量子效率（超过目前最先进的技术），在1450 nm处达到20%以上的外量子效率，从而可以跟商业化铟镓砷（InGaAs）光电探测器媲美，在暗电流下进行非制冷工作。这款原型的分辨率为758 x 512像素，像元间距为5 µm。

imec薄膜探测器项目经理Pawel Malinowski说：“这款薄膜探测器是由化学、器件设计、读出电路设计、集成和晶圆制造等领域专家组成的专业研究团队一起开发的共同成果。”

Malinowski说：“这一研究成果为薄膜探测器打开了许多新的应用领域。我们的探测器可以集成到下一代智能手机摄像头中，结合人眼安全的光源，可以实现用于增强现实（AR）的紧凑型传感模块。在检测应用中，它们可以用于食品或塑料的分类，以及在安防监视应用中，用于对比度更好的低照度摄像头。此外，通过在恶劣天气或烟雾条件下实现的特征识别功能，它还有潜力用于消防应用，未来，还可以用于汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）。”

下一步，imec的目标是开发晶圆级NIR和SWIR图像传感器技术，为计划开发创新型图像传感器、摄像头和智能成像应用的厂商提供技术支撑。

 关于量子点

量子点（quantum dot）是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。