可見光至短波紅外（350-2500 nm）成像在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、醫(yī)療診斷、機(jī)器視覺等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)硅基CMOS圖像傳感器僅能獲取可見光（0.4-0.7 μm）信息，且銦鎵砷等塊體半導(dǎo)體材料無法實(shí)現(xiàn)硅基電路片上直接集成，導(dǎo)致可見光-短波紅外（RGB-SWIR）光學(xué)信息一體化獲取的圖像傳感器研制受阻，傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片至今尚無解決方案。針對以上挑戰(zhàn)，新型半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)與發(fā)展為可見光-短波紅外圖像傳感器提供了有前景的替代方案：①有機(jī)光電探測器在可見光探測中表現(xiàn)出優(yōu)異的本征光譜選擇性；②膠體量子點(diǎn)（CQDs）則具有尺寸可調(diào)的帶隙，能夠?qū)崿F(xiàn)延伸至短波紅外甚至長波紅外波段的光譜探測；③其溶液加工的特性，使得片上直接光電集成成為可能。在光譜響應(yīng)范圍方面，CMOS集成式有機(jī)-量子點(diǎn)像素新架構(gòu)展現(xiàn)了超越現(xiàn)有硅基可見光圖像傳感器的顛覆性優(yōu)勢，有望推動(dòng)下一代消費(fèi)電子、工業(yè)檢測、車載攝像頭等場景技術(shù)升級。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京理工大學(xué)唐鑫教授、甕康康副研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種硬件-算法協(xié)同設(shè)計(jì)的CMOS集成四通道圖像傳感器，像素陣列為640×512。通過全聚合物體異質(zhì)結(jié)與HgTe膠體量子點(diǎn)的單片集成，實(shí)現(xiàn)350-2350 nm寬波段高分辨成像。在 “超分辨模式”下，借助融合“通道-空間”注意力機(jī)制的深度學(xué)習(xí)算法，將各光譜通道分辨率從320×256恢復(fù)至640×512，解決了平面集成架構(gòu)的分辨率損失難題。此外，該成像器通過精確匹配光交聯(lián)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了<1%的通道死像元率，且開發(fā)的直接光刻工藝具有CMOS兼容能力，確保了器件的高分辨率、無損片上圖案化及光電集成。這項(xiàng)研究為CMOS集成、多光譜成像、有機(jī)光電探測器、量子點(diǎn)探測器及超分辨率重建應(yīng)用鋪平了道路。相關(guān)研究成果以“High-Resolution Multispectral Photovoltaic Imagers from Visible to Short-Wave Infrared”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。論文完成單位包括：北京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)長三角研究院（嘉興）、中芯熱成科技（北京）有限責(zé)任公司、長春理工大學(xué)及中央民族大學(xué)。
可見光-短波紅外多波段圖像傳感器設(shè)計(jì)
圖1聚焦多通道圖像傳感器的核心設(shè)計(jì)與制備基礎(chǔ)，系統(tǒng)呈現(xiàn)集成架構(gòu)、材料選型、圖案化機(jī)理及CMOS兼容特性。對比采用可見光圖像傳感器+短波紅外圖像傳感器的分離架構(gòu)，這項(xiàng)研究聚焦單一集成芯片設(shè)計(jì)，將可見光像素與短波紅外像素集成于單芯片，解決了復(fù)雜分光光路設(shè)計(jì)難題，且通過直接光刻圖案化工藝，實(shí)現(xiàn)多波段探測像素單片集成，解決了可見光與短波紅外像素CMOS工藝的兼容性難題。利用圖案化技術(shù)，本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）及膠體量子點(diǎn)像素可以與讀出電路（ROIC）單片集成，具有640×512像素陣列，像素間距為15 μm。
圖1 可見光-短波紅外多波段焦平面陣列（FPA）圖像傳感器的設(shè)計(jì)
圖案化單元件器件性
能圖2主要展示圖案化后單元像素器件性能表征。非破壞性圖案化方法對于保持高性能光電探測器的光電完整性至關(guān)重要。為了評估光電二極管架構(gòu)中像素圖案化的兼容性，采用有機(jī)異質(zhì)結(jié)和碲化汞量子點(diǎn)作為活性層，制備了單元器件，并對圖案化前后的電流曲線、響應(yīng)光譜、比探測率、響應(yīng)度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)表征。
圖2 圖案化單元像素器件性能
可見光-短波紅外多波段圖像傳感器性能表征
所提出的直接光圖案化方法與標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝完全兼容。研究人員將基于聚合物的三色可見光像素與基于碲化汞量子點(diǎn)的短波紅外像素單片集成到同一讀出電路上。這種混合集成策略使得四通道成像器件得以實(shí)現(xiàn)，其中可見光和短波紅外像素以2×2陣列排列，每個(gè)子陣列的有效分辨率為320×256。
圖3 可見光-短波紅外多波段圖像傳感器性能表征
可見光-短波紅外四通道成像和超分辨率圖像重建
多通道像素架構(gòu)通過平面空間劃分實(shí)現(xiàn)了多通道（RGB-SWIR）探測，但同時(shí)也將每個(gè)波段通道的物理分辨率降低至320×256像素。為了克服這一分辨率限制，作者提出了一種用于四通道光譜成像芯片的超分辨率重建方法，構(gòu)建了一個(gè)融合“通道-空間”注意力機(jī)制的特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。為分辨率降低提供了補(bǔ)償策略，為平面集成式多通道圖像傳感器建立了一種高分辨成像新范式，超越光譜通道數(shù)量與空間分辨率之間的競爭關(guān)系。
圖4 可見光-短波紅外四通道成像和超分辨率圖像重建
