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韓國(guó)與美國(guó)之間的一項(xiàng)合作研究取得了下一代圖像傳感器技術(shù)成果，該技術(shù)相較于現(xiàn)有型號(hào)，具備更高的分辨率、更強(qiáng)的能效以及更小的尺寸。該團(tuán)隊(duì)還掌握了超高分辨率短波紅外（SWIR）圖像傳感器的基礎(chǔ)技術(shù)，這可能會(huì)打破目前由索尼主導(dǎo)的市場(chǎng)格局。

本研究中提出的集成在導(dǎo)模共振（GMR）結(jié)構(gòu)上的銦鎵砷光電二極管圖像傳感器示意圖（左）、制造出的晶圓照片以及周期性圖案的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（右）。圖片來(lái)源：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院

2024 年 11 月 20 日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）宣布，一支由該校電子工程學(xué)院的金尚賢（SangHyeon Kim）教授領(lǐng)銜，仁川大學(xué)以及耶魯大學(xué)研究人員參與的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種超薄寬帶光電二極管（PD）。這一進(jìn)展在高性能圖像傳感器的發(fā)展歷程中是一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。

這項(xiàng)研究極大地改善了傳統(tǒng)光電二極管設(shè)計(jì)中吸收層厚度與量子效率之間的權(quán)衡關(guān)系。即便吸收層厚度薄于 1 微米（比傳統(tǒng)技術(shù)薄約 70%），新型光電二極管的量子效率仍能超過(guò) 70%。

這一創(chuàng)新簡(jiǎn)化了像素處理過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、更優(yōu)的載流子擴(kuò)散以及更低的生產(chǎn)成本。然而，較薄的吸收層通常難以捕捉長(zhǎng)波長(zhǎng)光線(xiàn)，而該研究團(tuán)隊(duì)成功有效地解決了這一難題。

為克服較薄吸收層的局限性，研究人員采用了導(dǎo)模共振（GMR）結(jié)構(gòu)。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)有助于在從 400 納米到 1700 納米的寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的光吸收。這一范圍涵蓋了可見(jiàn)光和短波紅外光，使其在諸如醫(yī)學(xué)成像、安防系統(tǒng)以及自動(dòng)駕駛等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域頗具價(jià)值。

導(dǎo)模共振（GMR）結(jié)構(gòu)是一個(gè)源于電磁學(xué)的概念，它通過(guò)在特定波長(zhǎng)下創(chuàng)造共振條件來(lái)提高光吸收效率。這一創(chuàng)新不僅拓寬了吸收光譜，還支持與基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的讀出集成電路（ROIC）進(jìn)行混合及單片三維集成，為下一代超高分辨率圖像傳感器鋪平了道路。

在短波紅外區(qū)域性能的提升使這項(xiàng)技術(shù)在超高分辨率傳感器的研發(fā)中處于領(lǐng)先地位。這些進(jìn)步有望在數(shù)碼相機(jī)、航空航天、自動(dòng)駕駛汽車(chē)以及衛(wèi)星觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域得到重大應(yīng)用。更薄的吸收層在保持高量子效率的同時(shí)降低了成本和功耗要求，增強(qiáng)了成像技術(shù)方面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

這項(xiàng)研究表明，即便采用超薄吸收層，也能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)顯著更高的性能。

金尚賢，研究牽頭人、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院教授