校友宋金会研制新型数字图像传感器 像素尺寸仅50纳米


来源:南开新闻网 更新时间:2015/12/02 阅读次数:83

  南开新闻网讯(记者 乔仁铭)日前,南开大学校友、美国阿拉巴马大学华人教授宋金会带领的科研团队,成功研制出像素尺寸仅为50纳米的新型图像传感器,大幅度突破了当前数字图像传感器像素尺寸为1000纳米的极限。近期出版的材料类顶级科学期刊《先进材料》(Advanced Materials,2015,27,4454-4460)中“An Ultrahigh-Resolution Digital Image Sensor with Pixel Size of 50 nm by vertical Nanorod Arrays”一文详细介绍了这项最新研究成果。

  超高分辨率的数字图像传感器对于科研探索、工业生产、人类生活、国防军工等广泛领域具有重大的价值与意义。然而,如何通过减小像素尺寸来提高数字图像传感器的分辨率,一直是困扰科学家们的难题。当前,数字图像传感器CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合器件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)的最小像素尺寸分别是1.43微米和1.12微米。由于受半导体薄膜材料物理性质与数字图像传感器传统结构的限制,这样的像素尺寸已经接近物理极限。若继续缩小,像素将失去感光能力,不再具备有效的图像传感功能。

  宋金会认为,仅通过对原器件材料和构架的改进,难以突破当前数字图像传感器的分辨率,还需要从原理、传感器材料与结构进行彻底革新。为此,他带领科研团队采用“有源元器件”原理,把光强直接转换为放大的电信号,研发全新的三维纳米半导体光电材料和三维器件结构,成功将数字图像传感器像素尺寸从1000纳米降至50纳米。

  据宋金会介绍,他与科研团队首先定义了一个新的数字电路基本元件,光子场效应管(PET,Photon Effect Transistor),这一发明实现了光强传感和放大双重功能。在光子场效应管的基础上,科研团队利用现有实验室和工业化的双重加工技术,进一步缩小了像素平面面积的大小。此外,团队利用材料表面活性处理,以及纳米半导体阵列与金属电极之间的肖特基势垒,大幅度降低了传感器的噪音并提高了像素感光响应速度。若采用这一新型传感器技术,按照当前流行的全幅相机传感器尺寸为标准,全幅传感器将拥有高达3000多亿的像素,是现在传感器的10000倍,这意味着未来数字相机、数字摄像机将拍摄出更加清晰、细致的图像画面。

  接下来,宋金会与科研团队将在这一新型数字图像传感器的基础上,研究全彩色、高响应速度的超高精度数字图像传感器,以此推进其在光学、电子、通信等相关基础科学与技术领域中的应用。

  宋金会于1994年从辽宁省考入南开大学物理科学学院,1998年本科毕业并获得理学学士学位。2002年赴美国佐治亚理工学院深造并获得理学硕士学位,2008年获得佐治亚理工学院材料科学与工程系工学博士学位。2011年进入美国阿拉巴马大学任教。他长期致力于纳米科技的研究与应用,获得了多项美国专利。迄今为止撰写5部专业书籍章节,在国际专业期刊上发表科技论文50余篇,被引用次数近8000次,h因子达34。

  论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502079/pdf