【IEEE EDL】DUV EQE 35%：这是矽基极限突破，还是异质整合架构重新定义了光电响应？

此研究的核心进展在于打通新兴光电材料从"实验室(Lab)"走向"晶圆厂量产(Fab)"的工程瓶颈。过去二十余年,宽禁带氧化物等新材料虽在深紫外至红外宽频探测上潜力突出,却受限于 CMOS 工艺相容性而难以规模化。

论文四大看点:

晶圆级异质集成架构:首次报道基于 Si/Ga₂O₃/NiO 异质结的 4T 像素架构(4T-CIS),并在 12 英寸晶圆上以 55 nm CMOS 工艺实现规模制造。

工艺相容性突破:采用低热预算(< 200°C)、无金属离子污染风险的磁控溅射技术,与标准 CMOS 后道互连工艺(BEOL)相容,且无需额外掩膜版。

深紫外(DUV)响应显著提升:突破商用硅基 CIS 在紫外波段响应低下的物理限制,在 254 nm DUV 下实现 35% 外量子效率(EQE) 与 50 dB 动态范围(DR)。

能带工程设计:利用 Type I 与 Type II 双重能带对齐的协同作用,构建双内建电场,提升光生载流子的分离与收集效率。

论文发表于微电子器件领域核心期刊《IEEE Electron Device Letters》。

团队来自浙江大学杭州国际科创中心集成电路学院(Yang Xu、Dawei Gao、Dianyu Qi等)与浙江创芯集成电路有限公司联合完成,获浙江省重点研发计划与国家自然科学基金资助,致谢吴汉明院士指导。学界与产业联合背景使该技术具备较强工程化落地潜力。

硅材料的物理局限:

商用硅基 CIS 已应用逾二十年,但硅的带隙仅约 1.12 eV,在可见光与近红外波段表现良好,面对深紫外光(DUV, λ < 300 nm)时,因紫外光在硅中穿透深度仅几纳米,光生载流子易在硅片表面发生严重的"表面复合",致使 DUV 响应极弱。

现有方案瓶颈:
1.背照式(BSI)与表面纳米工艺:可提升 UV 吸收,但工艺复杂、成本高;
2.新兴宽禁带材料异质集成:

钙钛矿、量子点、石墨烯、Ga₂O₃ 等在分立光电探测器上表现优异,但集成至标准 CMOS 时面临金属离子污染、热预算不相容、额外掩膜成本等关键壁垒,致使多数宽频 CIS 停留于实验室原型阶段。

研究采用单片异质集成(Monolithic Integration)思路,避开寄生电容大、成本高的晶圆键合方案,直接在标准 CIS 像素感光区上方,通过 BEOL 工艺生长光敏材料。

所选材料为非晶态宽禁带氧化物半导体 Ga₂O₃ 与 NiO:两者对 DUV 具有高吸收与高灵敏度,可通过低温磁控溅射大面积成膜,温度 < 200°C,符合 CMOS 低热预算要求,同时规避晶格失配应力,实现低成本、无污染、可量产的宽频 CIS 芯片。

1)CMOS基础工艺(Fig. 1) 

采用 55 nm 1P6M(单层多晶硅、六层金属)CMOS 工艺在 12 英寸晶圆流片(Fig. 1b 实物图),集成 1.2 V 核心管与 3.3 V I/O 管。BEOL 完成后,在 CIS 像素感光区上方对层间介质(IMD)进行二次刻蚀,形成"异质集成窗口"。该步骤复用光电二极管 N阱(PDN)注入掩膜,实现零额外掩膜版的成本控制。

2)异质材料沉积与表征(Fig. 2、3) 

窗口内同腔依序沉积 30 min Ga₂O₃ 与 10 min NiO,形成 Si/Ga₂O₃/NiO 异质结构。

．截面形貌(Fig.2):TEM 与 SEM 显示像素区(Fig. 2a)与 CMOS 逻辑区(Fig. 2b)结构完好;高分辨 TEM(Fig. 2d)证实薄膜覆盖均匀。

．元素分布(Fig.2e–g):EDS Mapping 显示 Si、Ga、Ni 元素分层清晰。
．晶格应力与非晶态表征(Fig. 3a):拉曼光谱除硅在约 520 cm⁻¹ 的尖锐峰外,未见 Ga₂O₃或 NiO 特征峰,证实其为非晶态;集成前后硅拉曼峰位无偏移,说明沉积工艺不引入额外晶格应力,对 12 英寸大尺寸晶圆良率至关重要。

3)双重能带工程机理(Fig. 5)

．Ga₂O₃/NiO 界面:形成 Type II(交错型)能带对齐,建立 Ga₂O₃ → NiO 的内建电场。

．Si/Ga₂O₃ 界面:形成 Type I(跨越型)能带对齐,建立 n-Si → Ga₂O₃ 的内建电场。

．双内建电场协同耦合:254 nm 光子激发 Ga₂O₃(光子能量 > 4.9 eV)时,光生电子被迅速扫入n-Si 阱;365 nm 光子激发 NiO(带隙 3.6 eV)时,电子接力传输至硅衬底,最终经传输栅极(TG)转移至浮空扩散节点(FD)读出(Fig. 5c),从机制上抑制了载流子复合损失。

1)光吸收与成像验证

吸收光谱(Fig.3b):纯 Ga₂O₃ 截止波长约 260 nm;Si/Ga₂O₃/NiO 结构在 200–800 nm 宽范围具有强吸收。

系统级成像(Fig.6):团队搭建 LED + 透镜 + CIS 成像系统(Fig. 6a),在可见光、365 nm、254 nm 下分别成像"Z"、"J"、"U"字符,验证宽频成像能力。

2)关键光电参数
外量子效率 EQE

．可见光400–940 nm 范围(Fig. 4b):QE 峰值> 65%
．．365 nm 紫外:EQE 约 40%(Fig. 4c)
254 nm 深紫外:EQE 达 35%(Fig. 4d)——相较 CIS115 等商用硅基 CIS 在 300 nm 约 16% 的水平有明显提升

动态范围 DR
．可见光下:线性度 R²> 0.99,DR 约 89dB
．365 nm:DR 约40 dB
．254 nm:DR 约50 dB(R² > 0.98)

满阱容量与基础噪声
．满阱容量(FWC):约 28 ke⁻
．噪声基底:20 e⁻
．暗电流(25°C):10 fA/pixel——表明异质集成界面缺陷密度较低

推荐使用光焱科技PD-QE 新型光电感测器特性分析仪

此研究通过单片异质集成与精细的能带工程,有效降低了新兴材料进入半导体晶圆厂的工艺壁垒。

尽管在低频噪声谱、NEP 与 D* 等专项表征上着墨较少,但 35% 的 DUV EQE 与 12 英寸晶圆级量产规模,已为火焰探测、生化传感与航天天文级 CIS 开辟了一条具有工程化潜力的技术路径。