90%+ QE、低暗电流与更低 PRNU，纳米工程 CIS 是否打开了高灵敏成像新方向？

该研究展示了通过纳米结构表面工程(Surface Nanoengineering) 改进商用背照式(BSI)CMOS 图像传感器(CIS)光电性能的技术路径。

主要成果如下:
高水平的量子效率(QE):在300–700 nm 的宽波长范围内实现超过 90% 的量子效率,尤其在紫外(UV)波段(300 nm) 实现了绝对值 80% 的提升。

暗电流(Dark Current)显著下降:通过原子层沉积(ALD) 工艺替代传统离子注入钝化,将暗电流降至原来的三分之一。

光响应均匀性(PRNU)改善:黑硅(b-Si)与 ALD Al₂O₃ 的组合,使传感器空间均匀性优于传统多层抗反射膜(ARC)设计。

全波段探测能力:探测范围有效延伸至 300 nm 至 1100nm,改善了传统硅基传感器在 UV 与近红外(NIR)波段的效率瓶颈。

该研究由芬兰阿尔托大学(Aalto University)电子与纳米工程系 Hele Savin 教授团队主导,并与英国开放大学(The Open University)电子成像中心、Teledyne e2v 公司以及欧洲航天局(ESA-ESTEC) 共同合作完成。

研究获得 ESA 与芬兰科学院(Academy of Finland)资助,旨在开发适用于高灵敏度需求(如航天成像)的纳米黑硅涂层 CIS 器件。

在图像传感器技术持续发展的当下,商用 BSI CIS 虽然在速度、集成度和功耗方面具有优势,但在光学捕获与表面钝化技术上仍依赖传统方法,这限制了器件的整体性能。

光学损失(Optical Losses):
反射损失:传统方案采用多层抗反射膜(ARC),但 ARC 仅能针对窄波段优化,且在波长小于 400 nm 时,硅的折射率剧烈变化以及 ARC 自身的吸收,使得 UV 探测效率较低。

透射损失:对于近红外(NIR)光,由于 CIS 活性层(外延层)厚度通常小于10 μm,长波长光子往往穿透硅层而未被吸收。

电学损失(Electrical Losses):
背面场(BSF)的副作用:传统 CIS 使用高剂量离子注入(如 p⁺ 注入)形成背面场以抑制少数载流子复合,但这种高掺杂层会引入俄歇复合(Auger recombination)与SRH 复合,形成"死层(Dead layer)",这在吸收深度极浅的 UV 波段尤为关键,并会增加暗电流。

针对上述问题,研究团队提出以黑硅(Black Silicon, b-Si)取代传统 ARC,并以 ALD 沉积的 Al₂O₃ 薄膜取代离子注入钝化层。

黑硅的光学特性:针状的纳米结构形成渐变折射率分布,可有效消除菲涅耳反射(Fresnel reflection)。在 200–1000 nm 范围内,反射率可维持在约 1% 的较低水平。

ALD Al₂O₃ 的电学特性:Al₂O₃ 薄膜内含高密度的负固定电荷(约 10¹² cm⁻²),可提供良好的场效应钝化(Field-effect passivation),有效排斥电子远离高复合表面;其良好的保形性(Conformality)能覆盖纳米结构表面,提供化学钝化。

研究采用 Teledyne e2v 的 CIS115 作为基准平台,这是一款具有 7×7 μm² 像素、四晶体管(4T)钉扎光电二极管(Pinned Photodiode)架构的空间应用图像传感器。

材料准备:选取未涂覆 ARC 的 CIS115 晶圆,其 p 型外延层厚度约为 10 μm。

纳米结构制备:
方法:采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE),在 −120°C 低温下利用 SF₆/O₂ 等离子体进行 7 分钟干法刻蚀。此过程消耗约 1–2 μm 的硅层,完全去除原本的 p⁺ 注入层。

表面钝化:
方法:在 200°C 下沉积 20 nm 的 Al₂O₃ 薄膜,前驱物为三甲基铝(TMA)与水。

后处理:在成型气体(Forming gas)环境中,于 400°C 下进行 30 分钟退火,以激活钝化层。

6.1 外部量子效率(EQE)与光谱响应测量

图 2a 展示了纳米结构 CIS115 与商用 CIS115 的 QE 对比。
UV 波段表现:在 300 nm 处,商用传感器 QE 骤降至较低水平,而纳米结构传感器仍维持在 90% 以上。这得益于 ALD Al₂O₃ 消除了离子注入死层。

可见光与 NIR 强度提升:即使在 ARC 优化过的可见光波段,纳米结构 CIS 的 QE 仍比商用版高出约 5% 绝对值。

在700 nm 以上,尽管纳米结构 CIS 的硅层因刻蚀而变薄,其 QE 依然显著优于商用版。

这可能是由于纳米结构引起的光散射(Light scattering) 延长了光程,产生陷光效应。

6.2 内部量子效率(IQE)与反射率分析
通过 Agilent Cary 5000 测量的总光谱反射率数据,研究计算了IQE(图 2b)。

光学损失分析:纳米结构 CIS 在 400–700 nm 的反射率低于 1%。商用 ARC 则呈现典型的波长相关性,平均反射率约 5%。

电学损失分析:纳米结构 CIS 的 IQE 在全波段较为平坦且接近理想值。反观商用 CIS,在靠近 UV 波段时 IQE 开始下降,证实了表面 p⁺ 层的高载流子复合率。

6.3 暗电流(Dark Current)像素表征与分析
暗电流是限制传感器信噪比(SNR) 与弱光探测极限的关键参数。
测量条件:在 20 ± 0.05°C 室温下进行全像素测量。

统计结果:图 3b 的分布图显示,纳米结构 CIS 的平均暗电流为 12 e⁻/pix/s,而商用 CIS 为 28 e⁻/pix/s。

机制探讨:通过图 S2 的对照实验,研究证实 p⁺ 注入层是暗电流的主要来源。纳米结构虽然增加了表面积(理论上应增加缺陷产生速率),但 ALD Al₂O₃ 的钝化性能抵消了面积效应,并显著优于离子注入技术。

6.4 空间非均匀性(PRNU)测量
研究评估了像素在均匀光照下的响应偏差(图 4a)。

测量波长:500 nm 单色光。

统计表现:纳米结构 CIS 的 PRNU 标准差为 1.15%,优于商用版的 1.84%。

分析:这反映出 ALD 工艺与黑硅刻蚀具备较高的大面积一致性。商用版的较高不均匀性可能源于注入过程产生的晶格缺陷或 ARC 膜层的厚度波动。

6.5 调制传递函数(MTF)与图像分辨率
为评估纳米结构是否会因散射而造成像素间的光学串扰(Optical crosstalk),研究采用倾斜边缘法(Slanted edge method) 测量 MTF(图 5)。

结果:MTF 在 300–600 nm 保持恒定,但在 NIR 波段开始下降。这表明黑硅纳米结构在长波长下确实存在一定的散射效应,可能影响图像清晰度。

对策:研究指出,现代 CIS 采用的深槽隔离(DTI) 技术可有效阻断这种串扰,使纳米结构 CIS 的潜力得以完整发挥。

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该研究表明,借助纳米技术与 ALD 工艺的结合,可以打破硅基 CIS 在宽光谱探测上的物理限制。

这种方法不仅提升了 QE 并降低了暗电流,还提供了一种无需针对特定波段开发复杂 ARC 的通用解决方案。