打造先進薄膜影像感測器 imec整合固定式光電二極體

比利時微電子研究中心（imec）在薄膜影像感測器上，成功整合了固定式光電二極體（pinned photodiode；PPD）結構。透過新增一個固定式光閘極（pinned photogate）和一個傳輸閘極，最終能讓用於波長一微米以下的薄膜感測器發揮更優異的吸收特性，為可見光波段以外的感測技術釋放具備高成本效益的發展潛能。

偵測可見光範圍以外的波長，例如紅外線，提供了一些顯見的優勢。相關應用包含自駕車內用來「看」清雲霧的攝影機，以及利用人臉辨識來解鎖智慧型手機的鏡頭。儘管矽基材料製成的影像感測器能偵測到可見光，但如果要偵測其它更長的波段，像是短波紅外線（SWIR），其它的半導體材料不可或缺。

採用三五族材料就能克服此項偵測限制。然而，製造這些吸光材料的造價高昂，限制了其應用。相較之下，導入像是量子點（quantum dot）等薄膜吸收層的感測器在近期成為具備發展潛力的替代選擇。這類感測器的吸收特性更佳，還有可能與傳統的（CMOS）讀取電路進行整合。雖然如此，這些紅外線感測器的雜訊較多，導致成像品質降低。

早在1980年代，固定式光電二極體的結構就開始導入矽基CMOS影像感測器。該結構額外增設了一個電晶體閘極，並採用一種特殊的光偵測器結構；透過這些設計，電荷在開始進行積分之前就會完全耗盡，使得重置作業能在既無kTC雜訊也不受前幀影響的情況下進行。

正因如此，具備較低雜訊及更佳功率性能的固定式光電二極體，因而成為矽基影像感測器在消費性市場的主流技術。但是過去無法在矽材成像技術之外的領域導入這種元件結構，原因在於混用兩種不同的半導體系統有其難度。

imec首次展示將固定式光電二極體整合在薄膜影像感測器讀取電路上的成功案例。一個短波紅外線量子點光偵測器成功與一個氧化銦鎵鋅（IGZO）薄膜電晶體進行單片異質整合，共同組成一個固定式光電二極體的像素。接著，該陣列在CMOS讀取電路上進行加工，形成更先進的薄膜短波紅外線影像感測器。

imec薄膜固定式光電二極體（Thin-Film Pinned Photodiode）研究計畫主持人Nikolas Papadopoulos表示：「採用4T設計的影像感測器原型展現了僅僅6.1e-的極低讀取雜訊，與雜訊大於100e-的典型3T感測器相比，可見其在雜訊方面的表現更勝一籌。」 藉此就能捕捉具備更低雜訊、失真或干擾且更準確、更富細節的紅外線影像。