據麥姆斯咨詢報道,近日,在美國舊金山舉辦的IEEE國際電子器件會議(IEDM 2025)上,比利時微電子研究中心(imec)展示了在其12英寸(300 mm)CMOS晶圓中試線上開發的集成超構表面(Metasurface)的膠體量子點光電二極管(QDPD)成果。這一開創性的方案為開發緊湊型、微型化的短波紅外(SWIR)光譜傳感器提供了可擴展的平臺,為低成本、高分辨率光譜成像解決方案樹立了新的標桿。
集成超構表面的膠體量子點光電二極管晶圓
短波紅外傳感器具備獨特的能力。通過探測可見光譜之外的波長,短波紅外傳感器能夠呈現人眼無法察覺的對比度和特征,因此可以“看穿”某些材料(例如塑料或織物),或在薄霧、煙霧等復雜環境條件下實現成像。然而,傳統的短波紅外傳感器(例如InGaAs短波紅外傳感器)仍然價格高昂、體積龐大且制造難度大,其應用長期受限于小眾領域。量子點(QDs)圖像傳感器作為一類新型短波紅外傳感器,提供了極具前景的替代方案,在降低成本的同時實現更高分辨率。但迄今為止,這類傳感器主要工作在寬帶模式,而非光譜模式。imec通過在其12英寸CMOS晶圓中試線上,將膠體量子點光電二極管與超構表面成功協同集成,解決了這一挑戰。量子點是一種納米尺度的半導體材料,其吸收的紅外波長可被精確調控;而超構表面則是經過納米圖案化的超薄層,能夠精確調控光與傳感器之間的相互作用。通過在CMOS兼容工藝中融合這兩種關鍵技術,imec構建了一個可擴展的微型化短波紅外光譜傳感器平臺,實現了緊湊、高分辨率的光譜傳感器架構,并可采用標準CMOS制造工藝進行量產。集成超構表面的量子點光電二極管的實測外量子效率(EQE)光譜imec研發項目負責人Vladimir Pejovic表示:“這項技術最突出的優勢在于其可擴展性,傳統的量子點圖像傳感器需要針對每一種波長重新設計復雜的光電二極管層,這使得針對不同應用進行光譜調整變得既復雜又昂貴。”“我們的方法將這種復雜性轉移到了CMOS層面,通過超構表面來調諧光譜響應,而無需改變光電二極管堆棧結構。這不僅使高分辨率光譜型短波紅外傳感器能夠輕松實現定制化,也為安防、農業、汽車、航空航天等領域乃至更多應用帶來了全新的功能可能。”這一突破性的成果源于一項多學科協同努力,整合了imec在量子點圖像傳感器、平面光學(超構表面)以及光譜成像方面的專業優勢。下一步,imec團隊將把該技術從概念驗證推進到小批量生產,并最終實現規模化制造。為加速這一轉化進程,imec誠邀產業合作伙伴共同參與。imec產品組合經理Pawel Malinowski解釋道:“我們的目標是將這一突破性成果打造為一個具備產業化能力的光譜傳感器平臺,我們希望與合作伙伴攜手開發定制化光譜傳感器和集成器件,并在真實應用場景中驗證這項技術。”“通過將imec在光譜技術、量子點領域的專長以及先進CMOS工藝能力與具體應用領域相結合,我們希望加速創新進程,推動新一代短波紅外光譜傳感器從概念驗證邁向全面量產。因此,imec歡迎產業合作伙伴加入,共同塑造未來的紅外傳感與成像技術。”《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
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