韓國與美國之間的一項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，具備更高的分辨率、更強的能效以及更小的尺寸。該團隊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)，這可能會打破目前由索尼主導的市場格局。

本研究中提出的集成在導模共振（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）。圖片來源：韓國科學技術(shù)院

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

這項研究極大地改善了傳統(tǒng)光電二極管設(shè)計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 70%。

這一創(chuàng)新簡化了像素處理過程，可實現(xiàn)更高的分辨率、更優(yōu)的載流子擴散以及更低的生產(chǎn)成本。然而，較薄的吸收層通常難以捕捉長波長光線，而該研究團隊成功有效地解決了這一難題。

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

導模共振（GMR）結(jié)構(gòu)是一個源于電磁學的概念，它通過在特定波長下創(chuàng)造共振條件來提高光吸收效率。這一創(chuàng)新不僅拓寬了吸收光譜，還支持與基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）的讀出集成電路（ROIC）進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。這些進步有望在數(shù)碼相機、航空航天、自動駕駛汽車以及衛(wèi)星觀測等領(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降低了成本和功耗要求，增強了成像技術(shù)方面的國際競爭力。

這項研究表明，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、韓國科學技術(shù)院教授