用于宽光谱成像的石墨烯-硅电荷耦合图像传感器基础研究

Charge-coupled device (CCD), along with the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), is one of the major imaging technologies. Traditional CCDs rely on the charge transfer between potential wells, which gives them advantages of simple pixel structure, high sensitivity, and low noise. However, the serial charge transfer requires fabrication process incompatible with CMOS, and leads to slower, more complex, and less flexible readout than random access. Here, we propose a new-concept imaging device called field-effect CCD (FE-CCD), based on the capacitive coupling between the semiconductor substrate and the 2D material. The strong field effect of the 2D material enables amplification, and non-destructive direct readout of the integrated charges in single pixel without transfer. Moreover, we will demonstrate that this direct readout can also enhance the functionality of traditional CCD, as verified through the real-time monitoring of serial charge transfer in the FE-CCD array. Our FE-CCD can have the broadband response, allowing for the multispectral image fusion. The FE-CCD concept is also applicable to the 2D heterostructures for reducing the power consumption. The proposed FE-CCD offers a new and viable strategy to monolithically integrate 2D materials into conventional semiconductor-based imaging technology for versatile functionalities.

图像传感器作为前端感知工具之一，在智能制造和物联网领域具有重要作用。然而，由于我国半导体工艺的落后以及美日欧专利的垄断，国内大部分图像传感器严重依赖国外进口，高端芯片更是受美日欧禁运。本项目提出场效应电荷耦合器件（FE-CCD）的概念，通过将石墨烯独特的场效应与传统CCD深耗尽势阱相结合，制备出新型宽光谱高灵敏的图像传感器。通过检测石墨烯电导随时间的变化，可以实时监测势阱中光生电荷的积分过程，并且不会破坏信号电荷，实现对CCD单个像素信号的无损读取。因此，提出的器件结构既有CMOS图像传感器快速随机读取的优势，又具备传统CCD的高成像质量、低噪声和宽动态范围。石墨烯与硅的协同吸收能进一步提高器件在硅响应光谱范围外的量子效率，拓宽传统硅图像传感器的工作光谱范围，从而实现多光谱图像融合。这种将新材料与CCD结合的器件结构，有望拓展出一系列新型图像传感器件及相关成像系统。

图像传感器作为一种将光学图像转化为电子信号的设备，已经被广泛的应用于各行各业。以石墨烯为代表的二维材料具有独特能带结构以及优异光电性能，为宽光谱图像传感器的研究拓展了新的思路。结合石墨烯强场效应放大、超快的电子-电子散射等特性与硅基技术的低噪声、低成本等优势，石墨烯-硅电荷耦合器件有望实现宽光谱探测的突破。.本项目研究了硅基石墨烯新型电荷耦合器件，在理论上分析器件工作机理，并通过实验验证器件具备宽光谱成像的潜力。器件借鉴了传统CCD深耗尽特性带来的高灵敏度响应，同时避免了阵列像素之间电荷的串行转移，为器件与主流CMOS工艺结合提供了基础。利用石墨烯的场放大效应可以直接无损读出势阱中的电荷变化，实现从25keV的X射线能量到1850nm光谱区域内保持高灵敏度。利用多层石墨烯的红外吸收特性大幅拓展光谱响应，提出石墨烯电荷注入型器件，并结合原位场放大读出特性，拓宽硅基器件探测波段到中红外（3.8μm）。在上述研究的基础上，实现了硅基石墨烯电荷耦合器件的阵列设计与成像系统搭建，成像环境覆盖X射线至中红外光谱范围，显示器件在图像传感器领域的应用潜力。此外，本项目对基于宏观组装石墨烯纳米膜（MAG）的红外光电探测器进行研究，并对MAG器件的中红外波段响应机制进行分析。MAG与硅形成肖特基结光电探测器，实现了室温下硅基探测器的宽光谱探测（4μm）。进一步的使用锗衬底代替硅，实现了MAG/Ge器件宽光谱响应（7μm）。.围绕后摩尔时代新器件的挑战，突破硅基光电器件传统能效极限，实现高性能宽光谱探测是信息传感技术发展的关键。本研究综合利用以石墨烯为代表的二维材料的优异特性，于传统CCD光电器件相结合，突破传统图像传感器的技术壁垒，实现高性能新型宽光谱图像传感器。