新型传感器给成像技术带来变革

韩国与美国之间的一项合作研究取得了下一代图像传感器技术成果，该技术相较于现有型号，具备更高的分辨率、更强的能效以及更小的尺寸。该团队还掌握了超高分辨率短波红外（SWIR）图像传感器的基础技术，这可能会打破目前由索尼主导的市场格局。

本研究中提出的集成在导模共振（GMR）结构上的铟镓砷光电二极管图像传感器示意图（左）、制造出的晶圆照片以及周期性图案的扫描电子显微镜（SEM）图像（右）。图片来源：韩国科学技术院

2024 年 11 月 20 日，韩国科学技术院（KAIST）宣布，一支由该校电子工程学院的金尚贤（SangHyeon Kim）教授领衔，仁川大学以及耶鲁大学研究人员参与的研究团队研发出了一种超薄宽带光电二极管（PD）。这一进展在高性能图像传感器的发展历程中是一个关键时刻。

这项研究极大地改善了传统光电二极管设计中吸收层厚度与量子效率之间的权衡关系。即便吸收层厚度薄于 1 微米（比传统技术薄约 70%），新型光电二极管的量子效率仍能超过 70%。

这一创新简化了像素处理过程，可实现更高的分辨率、更优的载流子扩散以及更低的生产成本。然而，较薄的吸收层通常难以捕捉长波长光线，而该研究团队成功有效地解决了这一难题。

为克服较薄吸收层的局限性，研究人员采用了导模共振（GMR）结构。这种先进的设计有助于在从 400 纳米到 1700 纳米的宽光谱范围内实现高效的光吸收。这一范围涵盖了可见光和短波红外光，使其在诸如医学成像、安防系统以及自动驾驶等工业应用领域颇具价值。

导模共振（GMR）结构是一个源于电磁学的概念，它通过在特定波长下创造共振条件来提高光吸收效率。这一创新不仅拓宽了吸收光谱，还支持与基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的读出集成电路（ROIC）进行混合及单片三维集成，为下一代超高分辨率图像传感器铺平了道路。

在短波红外区域性能的提升使这项技术在超高分辨率传感器的研发中处于领先地位。这些进步有望在数码相机、航空航天、自动驾驶汽车以及卫星观测等领域得到重大应用。更薄的吸收层在保持高量子效率的同时降低了成本和功耗要求，增强了成像技术方面的国际竞争力。

这项研究表明，即便采用超薄吸收层，也能够实现比现有技术显著更高的性能。

金尚贤，研究牵头人、韩国科学技术院教授

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