比利时微电子研究中心（imec）宣布，在薄膜影像感测器上成功整合了固定式光电二极体（pinned photodiode ；PPD）结构。透过新增一个固定式光闸极（pinned photogate）和一个传输闸极，最终能让用於波长1微米以下的薄膜感测器发挥更优异的吸收特性，为可见光波段以外的感测技术释放具备高成本效益的发展潜能。

由imec研发、整合於薄膜影像感测器上的固定式光电二极体结构

侦测可见光范围之外的波长，例如红外线，提供了一些显见的优势。相关应用包含自驾车内用来「看」清云雾的摄影机，以及利用人脸辨识来解锁智慧型手机的镜头。尽管矽基材料制成的影像感测器能侦测到可见光，但如果要侦测其它更长的波段，像是短波红外线（SWIR），其它的半导体材料不可或缺。

采用三五族材料就能克服此项侦测限制。然而，制造这些吸光材料的造价高昂，限制了其应用。相较之下，导入像是量子点（quantum dot）等薄膜吸收层的感测器在近期成为具备发展潜力的替代选择。这类感测器的吸收特性更隹，还有可能与传统的（CMOS）读取电路进行整合。虽然如此，这些红外线感测器的杂讯较多，导致成像品质降低。

早在1980年代，固定式光电二极体的结构就开始导入矽基CMOS影像感测器。该结构额外增设了一个电晶体闸极，并采用一种特殊的光侦测器结构；透过这些设计，电荷在开始进行积分之前就会完全耗尽，使得重置作业能在既无kTC杂讯也不受前帧影响的情况下进行。正因如此，具备较低杂讯及更隹功率性能的固定式光电二极体，因而成为矽基影像感测器在消费性市场的主流技术。但是过去无法在矽材成像技术之外的领域导入这种元件结构，原因在於混用两种不同的半导体系统有其难度。

而今，imec首次展示将固定式光电二极体整合在薄膜影像感测器读取电路上的成功案例。一个短波红外线量子点光侦测器成功与一个氧化????锌（IGZO）薄膜电晶体进行单片异质整合，共同组成一个固定式光电二极体的像素。接着，该阵列在CMOS读取电路上进行加工，形成更先进的薄膜短波红外线影像感测器。imec薄膜固定式光电二极体（Thin-Film Pinned Photodiode）研究计画主持人Nikolas Papadopoulos表示：「采用4T设计的影像感测器原型展现了仅仅6.1e-的极低读取杂讯，与杂讯大於100e-的典型3T感测器相比，可见其在杂讯方面的表现更胜一筹。」 藉此就能捕捉具备更低杂讯、失真或干扰且更准确、更富细节的红外线影像。

imec像素创新研究计画经理Pawel Malinowski补充：「我们在imec位处前锋，要衔接红外线感测与影像设备的技术差异，这都有赖我们在薄膜光电二极体、氧化????锌（IGZO）、影像感测器和薄膜电晶体方面的跨域整合专业。透过此次建立了技术里程碑，我们超越了现有的像素架构限制，并展示了整合高效量子点短波红外线像素与平价量产的技术途径。未来将会运用多种类型的薄膜光电二极体来优化这项技术，并扩展其在矽材成像以外的感测器应用。我们期待与业界夥伴合作，推展更多的相关创新。」

本研究成果刊登於国际学术期刊《自然电子》（Nature Electronics）2023年8月号的〈用於单片薄膜影像感测器的固定式光电二极体（PPD）〉（‘Pinned photodiode for monolithic thin-film image sensors’）一文。初步成果已发表於2023年国际影像感测器研讨会（International Image Sensors Workshop）。