固態(tài)紫外圖像傳感器以其體積小、壽命長、耐惡劣環(huán)境、可靠性高等優(yōu)點受到廣泛的關注，然而其熱噪聲較大、成本較高、響應波長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一步研究。相比之下，以CMOS/CCD為基礎的硅基紫外圖像傳感器更易實現(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)點使得硅基紫外圖像傳感器在短時間內主導紫外成像市場。

 

據(jù)麥姆斯咨詢報道，昆明物理研究所唐利斌研究員課題組在《紅外技術》期刊上發(fā)表了以“紫外增強圖像傳感器的研究進展”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。

 

這項研究綜述了國內外紫外增強圖像傳感器的研究進展，介紹了幾種增強器件紫外響應的材料，另外還簡要概述了紫外圖像傳感器在生化分析、大氣監(jiān)測、天文探測等方面的應用，并討論了CCD/CMOS圖像傳感器在紫外探測方面所面臨的挑戰(zhàn)。

 

CMOS是金屬-氧化物-半導體電容器，其成像原理為每個像素都有自己的電荷電壓轉換器，每個像素單獨完成電荷電壓的轉換，直接將電荷轉換成電壓來實現(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、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一個地從縱向逼到和它相鄰的像素里面，最后經過一個共同輸出端，再經過模擬數(shù)字轉換形成數(shù)字信息，最終實現(xiàn)成像。

 

圖像傳感器工作原理和結構示意圖：(a)、(b)、(c)和(d)分別為CCD、CMOS、前照式圖像傳感器結構和背照式圖像傳感器結構；(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態(tài)范圍都沒有CCD圖像傳感器高，但因為其低成本和高集成度等優(yōu)勢，再加上近年來集成電路技術、電路消音技術和半導體電子技術的快速發(fā)展，CMOS圖像傳感器有了質的飛躍，彌補了CCD圖像傳感器的劣勢，二者在圖像傳感器領域相輔相成。

 

紫外響應增強技術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靈敏度高的波段相匹配的特性，從而來增強傳感器的紫外響應能力。

 

量子點增強紫外CMOS器件

 

紫外增強圖像傳感器技術的進步使其在各領域都有廣泛的應用，如天文探測、生化分析、大氣監(jiān)測、電暈放電、日盲檢測等。近年來，紫外成像技術被引入制藥領域，用于片劑的質量控制。

 

硅半導體技術的進步推動了圖像傳感器的發(fā)展，在可靠性、集成度、大面陣、成本等方面都有明顯的進步，由于硅本身性質使得圖像傳感器在紫外波段的低響應率、低量子效率限制了其進一步發(fā)展。伴隨紫外探測技術的廣泛應用需求，發(fā)展高響應率、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體工藝（背減薄、表面離子注入、激光退火和減反射膜）來改善圖像傳感器在紫外波段的響應能力，但其整體效果不太理想；（2）雖然可以通過傳統(tǒng)的Lumogen、暈苯等有機熒光轉換材料提升圖像傳感器的紫外探測效率，但綜合其穩(wěn)定性、熒光量子產率、成本和光學性能來考慮，需要進一步研究新的有機發(fā)光材料體系；（3）量子點材料與聚合物的非原位復合會引起相鄰量子點發(fā)生團聚，導致其熒光量子產率和量子點薄膜透過率不高。綜合來看，紫外增強圖像傳感器相較于GaAlN基紫外焦平面探測器具有成本低、工藝與硅基器件兼容等特點，仍然值得在此方向開展相關的基礎及應用研究。

 

該項目獲得國家重點研發(fā)計劃（2019YFB2203404）和云南省創(chuàng)新團隊項目（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CMOS圖像傳感器的研究工作。