可見光至短波紅外（350-2500 nm）成像在精準農業(yè)、醫(yī)療診斷、機器視覺等多個領域發(fā)揮著至關重要的作用。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體材料無法實現(xiàn)硅基電路片上直接集成，導致可見光-短波紅外（RGB-SWIR）光學信息一體化獲取的圖像傳感器研制受阻，傳統(tǒng)半導體芯片至今尚無解決方案。針對以上挑戰(zhàn)，新型半導體材料的出現(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（CQDs）則具有尺寸可調的帶隙，能夠實現(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。在光譜響應范圍方面，CMOS集成式有機-量子點像素新架構展現(xiàn)了超越現(xiàn)有硅基可見光圖像傳感器的顛覆性優(yōu)勢，有望推動下一代消費電子、工業(yè)檢測、車載攝像頭等場景技術升級。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學唐鑫教授、甕康康副研究員團隊開發(fā)了一種硬件-算法協(xié)同設計的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結與HgTe膠體量子點的單片集成，實現(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”注意力機制的深度學習算法，將各光譜通道分辨率從320×256恢復至640×512，解決了平面集成架構的分辨率損失難題。此外，該成像器通過精確匹配光交聯(lián)動力學，實現(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。這項研究為CMOS集成、多光譜成像、有機光電探測器、量子點探測器及超分辨率重建應用鋪平了道路。相關研究成果以“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、北京理工大學長三角研究院（嘉興）、中芯熱成科技（北京）有限責任公司、長春理工大學及中央民族大學。

可見光-短波紅外多波段圖像傳感器設計

圖1聚焦多通道圖像傳感器的核心設計與制備基礎，系統(tǒng)呈現(xiàn)集成架構、材料選型、圖案化機理及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，這項研究聚焦單一集成芯片設計，將可見光像素與短波紅外像素集成于單芯片，解決了復雜分光光路設計難題，且通過直接光刻圖案化工藝，實現(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，本體異質結（BHJ）及膠體量子點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）圖像傳感器的設計

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重要。為了評估光電二極管架構中像素圖案化的兼容性，采用有機異質結和碲化汞量子點作為活性層，制備了單元器件，并對圖案化前后的電流曲線、響應光譜、比探測率、響應度等關鍵指標進行了系統(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準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現(xiàn)，其中可見光和短波紅外像素以2×2陣列排列，每個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

多通道像素架構通過平面空間劃分實現(xiàn)了多通道（RGB-SWIR）探測，但同時也將每個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，構建了一個融合“通道-空間”注意力機制的特征增強網絡。為分辨率降低提供了補償策略，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系。

圖4 可見光-短波紅外四通道成像和超分辨率圖像重建