2026-06-12 09:36:50, 光电传感器量测 光焱科技股份有限公司
01
摘要与核心创新
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
核心技术方案
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
研究方法与模型参数
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)。
04
主要表征结果
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
工艺可行性
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
后续研究方向
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
作者单位:土耳其阿达納阿尔帕斯兰·图尔克斯科技大学电机与电子工程研究所
发表期刊:《计算电子学期刊》(Journal of Computational Electronics) 2025
关键词:CMOS图像传感器,近红外灵敏度,光子陷阱,光学工程,FDTD模拟
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