浙江大学：单片集成640×512CMOS-钙钛矿图像传感器

浙江大学集成电路学院徐杨教授、俞滨教授，浙江大学杭州国际科创中心王勇研究员联合团队提出了一种异构集成架构，利用全局电极，以简洁的设计与工序方法实现了单片集成 640×512 CMOS-钙钛矿图像传感器。该工作以题为“ A Monolithically Integrated 640 × 512 CMOS-Perovskite Image Sensor ”发表在欧洲固态电子学研讨会(ESSERC)，是Image Sensor Session中目前唯一一篇来自亚洲地区的论文。本文共同第一作者为浙江大学集成电路学院博士生汪晓晨和硕士生宁浩、浙江大学杭州国际科创中心博士后胡光材。该工作得到了国家科技部重点研发计划的资助以及中芯热成科技有限公司的技术支持。

图1  集成过程示意图与芯片实物图

该单片集成通过前驱体溶液旋涂与热固结晶的快捷方法实现，整个过程温度控制在150°C以下，避免了制造过程中对CMOS电路的损伤。该图像传感器由顶部FAPbI₃像素层、垂直金属互连层和底层CMOS读出集成电路组成。通过像素与电路的功能分层，实现了紧凑的多层结构集成，不仅消除了像素区域内的电路占用，还最大化了光吸收的有效面积，达到了接近100%的理想填充因子，从而优化了光收集效率，同时不影响空间分辨率。CMOS基底经过紫外臭氧处理，使表面亲水化，以确保钙钛矿薄膜均匀覆盖并具备优异的结构完整性。SEM成像显示，沉积在CMOS芯片表面的FAPbI₃具有良好的形貌和晶体质量。相比传统硅基像素，钙钛矿薄膜凭借更高的光吸收系数，即便薄膜厚度仅为数百纳米，仍可实现更高的光电转换效率。

图2  (a) 芯片的横截面示意图及像素晶体结构；

(b) 芯片显微照片；(c) 架构图；

(d) 沉积薄膜之前的像素接口表面；

(e) 沉积薄膜之后的像素SEM图

表1 基于钙钛矿薄膜成像器件对比

对增强型图像传感的需求推动了新型像素集成架构设计与工艺方面的创新。CMOS在信号处理方面占据主导地位，但在光吸收性能上仍存在依赖硅基的局限。钙钛矿薄膜凭借其高吸收系数、可调带隙等优异光电特性，被认为是突破传统硅基图像传感器性能瓶颈的重要候选。然而目前钙钛矿薄膜像素器件仍基于分立式的非完全集成架构，再加上对外部读出机制的依赖，不仅增加了设备复杂度而且限制了高密度小型化与应用发展。

本研究利用CMOS电路平台与集成技术的固有优势，成功实现了CMOS IC与钙钛矿薄膜的大阵列小像素单片集成。通过将钙钛矿薄膜纳入CMOS BEOL过程。本工作不仅展现了优异的异质兼容性，而且显著拓展了CMOS芯片的集成边界。该方法突出了制造简单、减少复杂设备与材料的依赖，在设计与应用层面实现了钙钛矿和CMOS系统的同质性。结合钙钛矿的独特性质和CMOS作为主流芯片平台的既定优势，为前沿集成的增强型、多功能成像芯片的发展开辟了新的前景。