新型半导体光电和图像传感器领域取得系列创新

近日，复旦大学信息科学与工程学院研究员万景团队在光电探测领域的核心半导体器件研发中取得一系列突破性成果。相关成果分别发表于高水平SCI期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials) (IF: 15.6; 10.1002/adfm.201906242)，及半导体器件领域顶级期刊《IEEE电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters)(10.1109/LED.2019.2892782 与 10.1109/LED.2019.2908632)。

只对波长敏感的光电探测万景与微电子学院研究员包文中合作，将新颖的半导体器件机理与新型二维材料结合，研发出具有特殊功能的多种新型半导体光电探测器。成果发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。传统光电探测器对光强敏感，输出电流或电压受光强调控。而万景率先提出一种基于多个光电栅极的新型探测器结构。通过结合多光电栅极调控的新器件机理和新型二维材料的特殊光电吸收特性，其团队成功实现了一种只对波长敏感的光电探测器。

由于新型探测器独特的波长敏感特性，在频谱分析，波长校准，荧光检测和火焰温度探测等领域都具有巨大的应用潜力。此外，由万景发明新型的界面耦合光电探测器(ICPD)首次将绝缘层上硅中独特的界面耦合效应用于大幅增强光电探测灵敏度。其团队进一步将此机理应用于绝缘层上硅/二维材料的异质器件中，实现了响应频谱调控功能，相关成果发表于《IEEE电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters)，器件可应用于多波段光电探测成像。

图1 (a)新型波长探测器及其(b)对光强和波长的响应特性; (c)界面耦合光电探测器及其(d)响应频谱特性实现了单晶体管主动像素的新型原位光电子传感器在图像传感器领域，传统的CMOS图像传感器使用主动像素阵列作为核心传感部件。

为了实现主动像素的光电转换，电荷积分，信号放大和随机选通的功能，每个像素单元中需要使用多个元件。这造成其结构复杂，集成密度和量子效率低下。万景在绝缘层上硅的衬底中发现了其独特的衬底深耗尽物理效应并应用于图像传感，发明新型原位光电子传感器(PISD)。

此后，其与信息科学与工程学院教授蒋玉龙合作，进一步基于先进大规模集成电路制造工艺成功实现该器件。相关成果作为杂志封面报道发表于《IEEE电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters)。审稿人将之评价为“图像传感领域的革命性创新”。

图2 (a)原位光电子探测器及其(b)对不同光脉冲的响应特性;(c)成果被IEEE Electron Device Letters封面报道

PISD成功地将主动像素传感的所有功能集成在单个晶体管中，实现了单晶体管主动像素，可大幅降低图像传感器的复杂度并提高其效率。图像传感器在军民领域的市场价值巨大，PISD是我国完全自主创新的图像传感核心器件，对于我国打破该领域的国外垄断地位具有重大的战略意义和经济价值。