近红外效率暴增36%，这个CMOS像素做对了什么？

01

此研究提出一种兼具光学性能提升与CMOS工艺兼容性的像素级光子陷阱结构。

在未改变感光材料（硅）的前提下，通过几何光学与波动光学的巧妙结合，在1100 nm近红外波段实现了光学效率提升36%的突破，同时完全保留可见光成像性能。

02

研究团队采用"顶部半球形折射+底部角锥形衍射+侧边深隔离槽"三层协同设计：
（1）顶端：半球形SiO₂捕光结构
．设计半径250nm、厚度1 μm的半球形结构
．渐变的等效折射率实现阻抗匹配，降低入射光反射损耗
．斜向入射光被半球曲面折射，大幅延长光子在感光层内的传播路径，提高被吸收概率

（2）底端：角锥形突起结构
．防止长波长NIR光子直接穿透底部流失
．产生衍射与散射作用，将光线横向重定向至像素内部
．形成多次光学吸收机会，在硅层内部构建光学共振腔效应

（3）侧边：深隔离槽（DTI）结构
．深度4 μm、宽度150nm的物理光学屏障
．利用全反射原理阻断光子向相邻像素的串扰
．将光能完全束缚在单一像素边界内，消除颜色失真

03

此研究采用业界标准的Ansys Lumerical FDTD求解器，精确求解麦克斯韦方程组。

模型建立了2 μm × 2 μm的背照式CMOS像素，其中：

硅感光层厚度：5 μm（具代表性的现代工艺节点）
抗反射膜：70 nm Si₃N₄
彩色滤光片：600  nm RGB拜尔阵列，精确定义各波段的介电函数
微透镜阵列：曲率半径2 μm、厚度500 nm

边界条件采用周期性边界条件（模拟无限像素阵列）与完美匹配层（吸收逸散电磁波）。

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通过FDTD仿真的功率密度分布与坡印廷矢量积分，获得以下表征数据：
光学效率（OE）频谱特性（图6）：

可见光段（400-700 nm）：

创新结构与传统平坦结构几乎完全重合，证明无性能损耗

近红外段（700-1100 nm）：
红光像素在1100 nm处：OE提升31%
绿光像素在1100 nm处：OE提升36%（最高提升）
蓝光像素在930 nm处：OE提升15%

光学串扰抑制验证（图4&5）：
无DTI结构时：高功率密度能量明显"泄漏"至相邻像素，形成严重串扰
含DTI结构时：光能完美束缚在原像素，1100 nm波段形成驻波干涉图纹，证实光学共振腔机制

05

半球形结构可通过现有CMOS工艺实现：
．利用各向同性湿法刻蚀在硅表面形成半球形凹槽
．热氧化或SiO₂沉积实现半球形覆盖
．DTI采用标准深隔离槽工艺
．完全兼容现有大规模集成电路生产流程，不引入额外工艺复杂度。

应用前景与学术意义
该研究突破了硅材料在近红外吸收的物理极限，为以下应用领域提供方向：

．3D深度传感与ToF测距（自动驾驶、手机传感）
．LiDAR系统（自主导航、机器人视觉）
．红外监控与医学影像
．RGB-NIR双模集成传感器

相比传统解决方案（异质外延、表面等离子体、复杂金属结构），该方案具有成本低、工艺兼容性好、集成度高的显著优势。

06

虽然当前研究基于纯光学模拟（结构尚未实际制造），但为实现产业化转化，需进行：
．试样工艺流片与实际器件表征
．外部量子效率（EQE）与光谱响应（SR）的物理测量
．暗电流与噪声特性评估
．不同工艺节点与像素尺寸的适配性验证