红外阵列传感器 InfoMat彩色-近红外双功能WS2阵列图像传感器

发布时间：2024-11-24 05:11:25

InfoMat彩色-近红外双功能WS2阵列图像传感器

一. 研究背景

过渡金属二硫属化物 (T M D) 具有独特的光学和电学特性，包括高载流子迁移率、可调带隙和强光物质相互作用。T M D光电传感器在车辆、计算机视觉、无人机、生物医学成像和安全监控中具有潜在应用前景。

传统的可见光和红外光电检测系统依赖于两种不同的光谱范围传感器，每种传感器需要分别进行优化。然而，T M D 兼具可见光到红外的宽光谱吸收特性和强的光与物质相互作用带来的高量子效率，使其有望采用单个器件同时满足在明亮和弱光条件下进行工作，并实现多光谱图像融合。

在各种 T M D 中，原子级厚度的 MoS2得到的研究最为广泛。然而，WS2可能比 MoS2更有前景，因为它具有独特的物理特性，例如出色的载流子迁移率、强光致发光 ( PL ) 和自旋谷耦合现象。此外，理论模型表明，在半导体 T M D 家族中，WS2拥有最高的迁移率，这归因于其降低的有效质量。

因此，大面积薄 WS2薄膜的合成对于工业规模的电子和光电器件来说是非常必要的。迄今为止，已经提出了各种用于获得原子级厚度 WS2薄膜的技术。化学气相沉积 (CVD) 被认为是一种生长大面积 WS2的可扩展方法。此外，据报道，通过溅射和原子层沉积 (ALD) 加上额外的后处理可以获得晶圆级 WS2薄膜。

总体而言，在之前的报告中，硫粉被广泛用作 WS2生长的前体。然而，在基于粉末前体的硫化过程中，硫浓度的局部变化会导致有害的形貌，从而导致薄膜均匀性低和电气性能受限。尽管之前的研究已经报道了具有高载流子迁移率的良好结晶 WS2薄膜，但探索具有可扩展适用性的大规模集成架构仍然具有挑战性。

二. 研究进展

近期，Infomat报道了一种基于集成开关晶体管的双层 WS2光电晶体管的双视觉有源像素图像传感器阵列。其中双层WS2薄膜采用射频 (RF) 溅射和 CVD 相结合的工艺合成。其制备的WS2薄膜晶体管 (TFT) 表现出 7.7 cm2V−1s−1的高平均迁移率、 ~10^6的开关比，以及高度均匀的电气性能。此外，WS2 TFT 阵列表现出均匀的光电特性，并且同时可以检测可见光至近红外 (NIR) 光，得益于光电门控 (PG) 效应，其最高响应度为 1821 A W−1。研究者利用光模板投影展示了WS2有源像素图像传感器阵列的红、绿、蓝 (RGB) 和 NIR 图像感应功能，为可见-近红外融合成像提供了新的技术可能。

三. 图文简介

晶圆级双层硫化钼材料的表征

双层硫化钼晶体管的电学性能

双层硫化钼晶体管的光电性能

双层硫化钼图像传感器彩色-近红外双功能成像展示

WS2薄膜的制备过程：

双层 WS2薄膜采用两步工艺合成，包括射频磁控溅射和热 CVD。

在沉积薄膜之前，将基底（100）取向的 p 型硼掺杂 Si/SiO2用超声波清洗 10 分钟，依次浸泡在丙酮、异丙醇和去离子水中。

溅射使用直径为 50.8 mm 的高纯度 W 靶材（99.9%），溅射腔体本底压力保持在 3 × 10 −6 Torr 以下。溅射期间，工作压力保持在 10 mTorr，氩气流速为 75 sccm。

沉积之前，对 W 靶材预溅射 10 分钟，以清洁靶材表面并提高等离子体的稳定性。W 薄膜沉积在室温下进行，射频功率为 30 W，时间 9 秒。

将 Si/SiO2基底上沉积的 W 膜放入 4 英寸 CVD 腔中进行硫化。将 CVD 腔抽真空至基准压力 5 × 10 −3 Torr。

随后，以 50 sccm 的流速注入氩气，并在 30 分钟内将温度升至 750°C 并维持 15 分钟。

在升温过程中，在 250°C 时引入 H2 (5 sccm) 和 H2S (5 sccm) 气体。

硫化过程之后，在 H2S (5 sccm) 和 Ar (50 sccm) 环境下在 1000°C 下进行 1 小时的高温退火过程，以提高合成的 WS2膜的质量。

退火过程之后，以 100 sccm 的氩气流速将炉子快速冷却至室温。

WS2光电晶体管和图像传感器阵列的制作：

双层 WS2膜生长完成后，使用简单的光刻工艺对其进行图案化，其中将光刻胶 (PR, AZGXR-601, Merck) 以 3000 rpm 的速度旋涂在膜上 30 秒，然后在 90°C 下软烘烤 90 秒。

然后，将涂有 PR 的基板在指定的掩模下暴露在紫外线下 1 秒，并使用显影剂 (AZ-300MIF) 显影 20 秒。

使用干蚀刻工艺去除 WS2膜不需要的部分，使用 O2等离子体处理 (反应离子蚀刻系统) 在 30 W 功率下进行 30 秒，流速为 50 sccm，然后浸入丙酮中 10 秒以去除 PR 残留物。

在 WS2薄膜图案化之后，使用剥离工艺对源极和漏极 (S/D) 电极进行图案化，其中剥离抗蚀剂和 PR 分别以 2000 rpm 的速度旋涂 45 秒和以 3000 rpm 的速度旋涂 30 秒，然后在上述相同条件下进行紫外线曝光和显影。这里，Ti/Au 用作 S/D 电极并通过电子束蒸发法沉积。

为了去除 S/D 电极的不需要的部分，将预先图案化的 S/D 电极浸入光刻胶去除剂 (mr-Rem 700，Micro-Resist Technology) 中 120 秒，温度为 50°C，然后用去离子 (DI) 水清洗。

在对 S/D 电极进行图案化之后，使用 ALD 方法在 100°C 下沉积厚度为 80 nm 的 Al2O3介电层，并使用上述剥离工艺对顶部栅极电极 (ITO, 30 nm) 进行图案化

。接下来，使用先前的光刻工艺对 S/D 电极进行图案化，其中使用缓冲氧化物蚀刻剂蚀刻 Al2O 3 60 秒，然后用丙酮清洗。

使用相同工艺制造图像传感器阵列。使用激光烧蚀机制备基于 Au 沉积 PET 膜的 Joker 图像模板掩模

松下红外阵列传感器解析

近年来，由于基于MEMS的独立式热隔离像素结构采用薄膜红外吸收层，使得非制冷红外传感器取得了显著进展。

人们利用红外传感技术开发了许多应用，例如热成像、人体探测以及夜视等。对于红外能量的量化，使用户能够确定目标的温度以及热行为。

红外热传感和成像仪实现了被动、非侵入式的物体表面温度测量，并能够绘制其温度分布图谱。随着物体表面温度的升高，其辐射光谱的强度也会相应增强。这使我们可以通过远程测量人体或目标物体发射出的能量来确定其温度。红外探测器主要分为两类——红外光子探测器和红外热探测器。

红外光子探测器

红外光子探测器利用材料和电子间的相互作用，吸收被测物体表面发出的红外辐射。通过吸收电子产生的电能分布变化，输出红外探测信号。红外光子探测器每个单元对入射辐射能量的吸收具有波长选择性。红外光子探测器具有完美的信噪比和快速响应性能。但是，红外光子探测器的缺点是需要对其进行低温冷却。而冷却要求，是基于半导体光子探测器的红外系统获得广泛应用的主要障碍。因为这使得光子探测器红外系统变得庞大、笨重、昂贵，而且使用不便。

红外热探测器

一直以来，高成本问题严重限制了消费类市场红外系统的发展。红外热探测器优势包括宽广的波长响应范围、无需冷却、高温稳定性、高信噪比以及较低的成本。红外热探测器主要分为热释电、热电堆和微测辐射热计。（注：本文暂不介绍微测辐射热计，请参考：非制冷红外焦平面探测器及其技术发展动态）

红外热释电传感器

热释电材料吸收热辐射，在晶体材料间产生静态电压信号。但是，热释电材料在持续的红外辐射下，其输出的静态电压信号会减弱，需要对其进行周期性的刷新。热释电探测器可以实现大规模批量生产。它们凭借防盗系统和自动照明开关等应用，在消费类市场逐渐找到了切入口。热释电探测器也被应用于高性能气体分析、火焰探测器等科学仪器。另一方面，对于静态温度测量应用，热释电探测器仍然相对比较昂贵，需要包含一些机械部件。

红外热电堆传感器

根据塞贝克效应，在两种不同材料的连接处，当它们的温度有差异时，会在这两种材料组成的闭环电路中产生电流。这种现象被广泛应用于热电偶的温度测量。热电堆或热电阵列由许多热敏元件组成，每个热敏元件都是一根由两种不同热敏活性材料组成的细丝。当细丝两端的温度出现差异时，便在细丝两端产生了电压（热张力）。热接点集中在一个非常薄的共同吸收区，而冷节点位于一个周边环绕高热质量的散热片上。

现代半导体技术实现了在几平方毫米内，制造包含数百个热电偶的红外热电堆传感器。这种红外传感器因其微小的尺寸，而具有极高的灵敏度和极快的响应时间，而且由于应用了半导体规模生产和光刻技术，使其成本也较低。

电气设备热管理工程师们，长久以来一直享受着由数字温度传感IC带来的便利。新款集成热电堆红外传感器IC能够提供相同便利的数字温度测量结果，并进一步地降低了产品功耗、尺寸和成本，为其在消费类设备领域创造了市场机遇，例如医疗设备、办公设备以及家用电器等。

什么是Grid-EYE

松下Grid-EYE的8 x 8热电堆阵列红外传感器，开启了其红外阵列传感器业务。Grid-EYE是一款64像素红外摄像头，采用一体化的紧凑SMD封装。基于松下的MEMS技术，Grid-EYE包含一颗MEMS传感器芯片、一颗数字ASIC（I2C接口）以及一款硅基镜头。

Grid-EYE红外传感器

Grid-EYE在一个8 x 8网格式布局内含有64个热电堆元件，能够在不接触被测物体的前提下探测物体表面的绝对温度。与传统的传感器不同，Grid-EYE采用了一款受专利保护的60°硅基镜头，该镜头在硅晶圆上通过刻蚀工艺制成，是市场上最小（高度低于0.3 mm）的镜头。所有这些技术的结合，使该款传感器的封装尺寸仅为11.6 mm x 8 mm x 4.3 mm。

含有64个热电堆元件的Grid-EYE可以探测静止和运动的人体

与单点热电堆红外传感器和热释电传感器相比，Grid-EYE不仅能够探测移动的人体和物体，还能够探测不动的人体和物体的出现和位置、运动方向以及精确的表面温度，温度测量范围为- 20°C~+100°C。

基于MEMS技术的热电堆阵列红外传感器

松下凭借Grid-EYE的宽温度测量范围，其噪声等效温差在室温时，精度达到了+/- 0.08°C @ 1Hz。Grid-EYE热电堆传感元件协同阵列，能够探测多个人体或物体在不同方向上的运动。近距离时，Grid-EYE甚至能够探测人手的运动，实现简单的手势控制。

Grid-EYE红外传感器实现手势控制

应用领域

许多红外应用不需要完整的图像信息，只需要从图像中挖掘出的特定信息，例如位置、运动以及热（或冷）物体的区域。面对这些非成像应用的新兴市场，需要基于不同概念的传统成像红外焦平面阵列的红外阵列传感器。这里将讨论热成像系统应用的两个主要门类：非活体目标和人体目标。

非活体目标

工厂机械设备、发电及配电设备、物料以及工艺生产制造出来的部件，它们的温度和热学性能，是生产制造过程中以及工厂维持安全和经济有效运营的最重要因素。

突然出现的热点能够预示有缺陷的区域和连接点。应用热成像技术进行温度测量的原因之一，是热成像测量无需接触被测物体。热成像技术可以作为一款诊断工具应用于电力传输系统中电气接头的检测，也可以用于探测其它电气装置的热状况。它还可以应用于不同材料的具体特性评估。

人体目标

被动红外传感器针对即时进入或目标探测应用效果很好。但是，它们仅能感测运动中的人体或目标，这使它们能够有条件地应用于建筑自动化和安防系统中。这些简单的红外传感器具有传统的局限性，因此不能应用于更先进的探测领域。例如，被动红外传感器无法感应不动的目标，它们不能精确地探测目标的运动方向，它们也不能获得热成像图谱或者探测目标的温度。所有这三个任务都是下一代智能自动化、安防系统、数字标识系统以及医疗成像应用的基本要素。

人体探测设计

热电堆阵列传感器能够在保留探测对象隐私的前提下，提供粗略的追踪功能。Basu和Rowe开发了一款低成本方法，在Grid-EYE传感器的视场内，估算人员数量和他们的运动方向。对具有本地峰值计数功能的连接组件上应用支持向量机分类，他们估算即时进入人数的准确率超过了80%（《应用热电堆阵列传感器的运动追踪和空间关系学》，2014，卡内基梅隆大学）。

利用Grid-EYE红外传感器估算即时进入房间的人数

Jeong、Yoon和Joung等人在2014年开发了一种更复杂的方法，他们利用Grid-EYE传感器结合一种概率统计方法来确定人体目标，这种概率统计方法利用了多重前后成像处理技术。前处理和图像分割提供基本结构，然后利用概率统计方法来计算图中的热标识为人体目标的概率。即使分割出来的人体图像短暂消失了，他们提出的方法还能够利用局部自适应阈值实现继续追踪。

智能建筑应用

智能建筑应用是信息物理系统的案例之一。大部分时间，这些应用需要不同类型的传感器、网络拓扑结构以及个性的配置，来满足不同用户的需求。利用Grid-EYE传感器提供的即时进入信息，能够帮助实现家居自动化和暖通系统的集成。Grid-EYE传感器当然也可以应用于安防目的。即时进入监测、安防和建筑自动化是智能建筑的基本功能。房间的即时进入监测，能够帮助建筑管理者实现暖通系统控制，由此实现可持续发展。Grid-EYE传感器8 × 8二元矩阵中连接的组件，能够告诉我们该传感器周边人员的数量（即时进入监测）。

Grid-EYE红外传感器的应用

对于安防应用，即时进入监测能够监测非法入侵的发生，能够即时触发警报或者发送相关信息给屋主。对于家居自动化应用，它能够用于暖通系统或者家用电器的开启。

美国加州大学的Merced在2013年展示了一款基于Grid-EYE传感器的系统，用于估算即时进入信息，使他们能够基于房间进入人员的数量调整房间利用，从而有效的维持房间的温度，通过这一方法每年能够节约25%的能源。

相关产业研究报告：

《红外探测器市场》http://www.mems.me/mems/mems_sensor_201510/2434.html

《非制冷红外成像技术与市场发展趋势》http://www.mems.me/mems/mems_sensor_201506/2022.html

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