紫外增强图像传感器的研究进展

日期:2022-05-13 来源:MEMS阅读:214
核心提示:近年来图像传感器在紫外成像方面的应用越来越广泛,尤其是以CCD和CMOS为主的紫外图像传感器受到了研究人员的广泛关注。半导体技
近年来图像传感器在紫外成像方面的应用越来越广泛,尤其是以CCD和CMOS为主的紫外图像传感器受到了研究人员的广泛关注。半导体技术的进步和纳米材料的发展进一步推动了紫外图像传感器的研究。
 
固态紫外图像传感器以其体积小、寿命长、耐恶劣环境、可靠性高等优点受到广泛的关注,然而其热噪声较大、成本较高、响应波长受真空紫外波段限制,所以在高信噪比电路读出和掺杂缺陷抑制方面亟待进一步研究。相比之下,以CMOS/CCD为基础的硅基紫外图像传感器更易实现大面阵,成本比其他类型的图像传感器更低,性能也足以和真空型紫外图像传感器媲美,以及高分辨、低噪声和高帧率的优点使得硅基紫外图像传感器在短时间内主导紫外成像市场。
 
据麦姆斯咨询报道,昆明物理研究所唐利斌研究员课题组在《红外技术》期刊上发表了以“紫外增强图像传感器的研究进展”为主题的综述文章。唐利斌研究员主要从事光电材料与器件的研究工作。
 
这项研究综述了国内外紫外增强图像传感器的研究进展,介绍了几种增强器件紫外响应的材料,另外还简要概述了紫外图像传感器在生化分析、大气监测、天文探测等方面的应用,并讨论了CCD/CMOS图像传感器在紫外探测方面所面临的挑战。
 
CMOS是金属-氧化物-半导体电容器,其成像原理为每个像素都有自己的电荷电压转换器,每个像素单独完成电荷电压的转换,直接将电荷转换成电压来实现成像,这使得CMOS的整体读出效率非常高。与之相似的CCD有着体积小、寿命长、灵敏度高、畸变小等特性,其工作原理为CCD是在像素上增加电压,把像素里的电荷一个一个地从纵向逼到和它相邻的像素里面,最后经过一个共同输出端,再经过模拟数字转换形成数字信息,最终实现成像。
 
图像传感器工作原理和结构示意图:(a)、(b)、(c)和(d)分别为CCD、CMOS、前照式图像传感器结构和背照式图像传感器结构;(e)堆栈式CMOS图像传感器;(f)具有Cu-Cu杂化键合的新型堆栈式背照CMOS图像传感器及器件截面图
 
虽然CMOS图像传感器的灵敏度和动态范围都没有CCD图像传感器高,但因为其低成本和高集成度等优势,再加上近年来集成电路技术、电路消音技术和半导体电子技术的快速发展,CMOS图像传感器有了质的飞跃,弥补了CCD图像传感器的劣势,二者在图像传感器领域相辅相成。
 
紫外响应增强技术的基本原理是利用材料吸收紫外辐射后发射的荧光与图像传感器响应灵敏度高的波段相匹配的特性,从而来增强传感器的紫外响应能力。
 
量子点增强紫外CMOS器件
 
紫外增强图像传感器技术的进步使其在各领域都有广泛的应用,如天文探测、生化分析、大气监测、电晕放电、日盲检测等。近年来,紫外成像技术被引入制药领域,用于片剂的质量控制。
 
硅半导体技术的进步推动了图像传感器的发展,在可靠性、集成度、大面阵、成本等方面都有明显的进步,由于硅本身性质使得图像传感器在紫外波段的低响应率、低量子效率限制了其进一步发展。伴随紫外探测技术的广泛应用需求,发展高响应率、高量子效率的紫外图像传感器仍面临一些挑战:(1)尽管目前可以用半导体工艺(背减薄、表面离子注入、激光退火和减反射膜)来改善图像传感器在紫外波段的响应能力,但其整体效果不太理想;(2)虽然可以通过传统的Lumogen、晕苯等有机荧光转换材料提升图像传感器的紫外探测效率,但综合其稳定性、荧光量子产率、成本和光学性能来考虑,需要进一步研究新的有机发光材料体系;(3)量子点材料与聚合物的非原位复合会引起相邻量子点发生团聚,导致其荧光量子产率和量子点薄膜透过率不高。综合来看,紫外增强图像传感器相较于GaAlN基紫外焦平面探测器具有成本低、工艺与硅基器件兼容等特点,仍然值得在此方向开展相关的基础及应用研究。
 
该项目获得国家重点研发计划(2019YFB2203404)和云南省创新团队项目(2018HC020)的支持。该研究第一作者为昆明物理研究所硕士研究生罗磊,主要从事紫外增强CMOS图像传感器的研究工作。
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