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科技工作者之家 2020-06-04
来源:中科院半导体所
━━━当图素吸收光子时,电子从化学键中释放出来,移动到像素边缘的电极上,在那里被储存到电容器中。读出电路将每个图素在规定时间内收集的电荷转换成电压。电压决定了图像像素的亮度。
常见的制造过程同时产出硅探测器和读出电路。这一过程包括一系列漫长而完善的光刻、蚀刻和生长步骤。此类制造成本低,而且相对简单。但硅探测器也存在一些缺点。通常情况下,读出电子器件位于探测器的顶部,即所谓的前照设备。这种布局下,金属触点和轨迹反射部分入射光,降低了效率。背照设备借助探测器下的读出电子器件来避免这种反射,但却增加了制造成本和复杂性。直到近十年,背光传感器的成本才大幅下降,用于手机、数码相机等的民用设备。硅仅仅吸收不足1微米的波长,因此不能用于近红外范围以外的成像。
━━━━现在了解一下量子点如何改变这一格局。我们之前提到,通过精准地调整量子点的大小,材料制造商可以准确地选择它们所吸收光的波长。可见光谱中最大的量子点直径约10纳米,它们吸收紫外线、蓝光和绿光,并发出红光,也就是说它们具有荧光特性。量子点越小,其吸收和发射越向色谱中的蓝光偏移。例如,约3纳米的硒化镉量子点吸收紫外线和蓝光,并发出绿光。配有量子点探测器的相机与硅CMOS相机的工作原理基本相同。当图素中的量子点吸收光子时,电子脱离其定域键。量子点的边缘限制了电子的移动。然而,如果另一量子点足够靠近,自由电子就会“跳”过该量子点,通过量子点之间的连续跳跃,到达图素的电极,在那里由像素的读出电路计数。读出电路与硅光电探测器的制造方法相同,都是直接在晶圆上构建。将量子点添加到晶圆上确实增加了一个处理步骤,但该步骤极其简单:它们可以作为一种油墨悬浮在溶液中,并在电路上打印或旋涂。借助这种方式,量子点光电探测器拥有背光像素的性能优势,几乎所有入射光都能到达探测器,而不需要增加这种技术的成本和复杂性。量子点还有一个优势。相较于硅,它们更能有效吸收光线,因此只需在读出电路的顶部薄层就能收集到几乎所有入射光子,这意味着吸收层无须达到标准CMOS图像传感器中的厚度。另外,吸收性能极佳的量子点薄层完美适应低亮度和高亮度,为传感器创造一个更好的动态范围。━━━━
史蒂夫·乔布斯常说:“还有件事。”量子点相机拥有巨大的潜力将红外摄影融入主流,因为它们的可调协性能够扩展到红外波长。当前的红外相机功能不亚于可见光相机,只是吸收光的材料大不相同。传统的红外相机使用带小能带隙的半导体,如硒化铅、锑化铟、碲镉汞或砷化铟镓,来吸收硅无法吸收的光。由这些材料形成的像素阵列必须与用于测量电流和生成图像的硅CMOS电路分开制作。探测器阵列和电路必须在每个像素处连接,通常采用金属间连接。这一耗时的过程,又被称为杂合,它包括在探测器阵列和CMOS电路的每个像素上放置一个小型低熔点铟柱。制造机器必须将二者连接起来,压合,后将铟熔化,形成电气连接。这一过程的复杂性限制了潜在的阵列大小、像素大小和传感器分辨率。更糟糕的是,由于一次只能处理一个摄像头芯片,因此杂合过程通量低、成本高。但与这些传统材料一样对红外线敏感的量子点可以借助成本低廉的大规模化学工艺合成。此外,类似于同类可见光产品,硅电路完成后,吸收红外线的量子点可以涂于芯片上,这是一个无需杂合且快速简单的过程。消除杂合意味着分辨率(像素大小)可以小于15μm左右,以适应铟柱,允许更多的像素存在于一个较小的区域。传感器变小意味着光学元件变小,红外相机的形状和尺寸发生变化,且成本极大降低。━━━━
所有这些因素令量子点看起来像是一项完美的成像技术。但它们并非没有挑战。目前,实现商业化的主要障碍是稳定性、效率和统一性。制造商主要通过开发可扩展的化学工艺来解决用于电视显示器的发光量子点问题,这些化学工艺可以创造大量几乎没有缺陷的高效量子点。但量子点仍然会在空气中氧化,导致传感器性能缺陷和变化,包括灵敏度降低、噪声加大、响应时间变慢甚至短路。然而稳定性问题并不会妨碍显示器实现商业化,原因在于,保护所用量子点不受大气影响并非难事。依照目前量子点在显示器上使用的方式,量子点吸收来自蓝色LED的光,而光生电荷载流子停留在每个量子点内,重新组合并发出荧光。所以这些量子点不需要直接连接到电路,这意味着周围的聚合物基体通过在聚合物膜的两侧增加阻挡层来为它们提供保护,以防止大气暴露。但在光电探测中,封闭聚合物中的单个量子点行不通:释放出的电子需要自由迁移到电极上才能被计入。封装整个量子点层或整台设备可允许此类迁移,同时保护量子点不受大气破坏。这可能是初始解决方案。另外,量子点本身可以经过特殊设计来降低氧化影响而不造成电荷传输障碍,同时保持稳定性和可加工性。研究人员正在朝着这一艰巨的任务努力。另一障碍来自目前用来维持量子点稳定的有机表面活性剂。这些表面活性剂起到绝缘体的作用,因而能够阻止电荷载流子轻易穿过量子点膜,到达收集信号的电极。当前,制造商将量子点沉积成薄膜,再将长表面活性剂分子替换为较短的表面活性剂分子,以增强导电性。但这增加了一个工艺步骤,且随着时间的推移,量子点更容易降解,原因在于替换过程会破坏量子点的外层。光子探测的效率同样存在问题。鉴于量子点尺寸小,表面积大,它们可能存在众多缺陷——晶格缺陷可能导致在电子到达电极之前,光生电荷重新结合。在此情况下,最初到达量子点的光子不会被电路检测到,从而减弱了最终到达相机处理器的信号。包含单晶半导体的传统光电探测器鲜有这类缺陷,因而效率超过50%。而量子点光电探测器的效率通常低于20%。因此,尽管量子点在吸收光方面优于硅,但量子点光电探测器的整体效率仍无法与之竞争。不过,量子点材料和器件的设计正稳步改进,效率也在不断提高。由于制造商使用化学工艺来制造量子点,因此量子点的大小存在一定的内在变化。量子点的光学和电子特性由其大小决定,任何直径偏离都会引起所吸收光颜色的变化。随着源化学物质以及合成、净化和储存发生变化,两批量子点大小可能存在显著差异。制造商必须谨慎控制工艺流程以避免此类情况。拥有该领域经验的大公司能够有效保持统一性,但是较小型的制造商往往很难生产出一致的产品。━━━━来源:bdtdsj 中科院半导体所
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