Thin-Film Photodetector Optimization for High-Performance Short-Wavelength Infrared Imaging

材料科学 光电子学 光电探测器 图像传感器 线性 堆栈(抽象数据类型) 像素 CMOS芯片 点间距 光学 光电二极管 CMOS传感器 薄膜 量子效率 物理 计算机科学 电子工程 工程类 纳米技术 程序设计语言
作者
Vladimir Pejović,Jiwon Lee,Epimitheas Georgitzikis,Yunlong Li,Joo Hyoung Kim,Itai Lieberman,Paweł E. Malinowski,Paul Heremans,David Cheyns
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (8): 1196-1199 被引量:44
标识
DOI:10.1109/led.2021.3093081
摘要

In this letter, we present a small pixel pitch image sensor optimized for high external quantum efficiency in short-wavelength infrared (SWIR). Thin-film photodiodes based on PbS colloidal quantum dot (CQD) absorber allow us to exceed the spectral limitations of silicon’s absorption while maintaining the benefits of CMOS technology. By monolithically integrating PbS CDQ thin films with CMOS readout arrays, high-pixel density SWIR image sensors can be achieved. To overcome the remaining disadvantages of the CQD-based image sensors over their bulk III-V semiconductor counterparts (lower sensitivity and reduced linearity), the thin-film photodiode stack is adapted towards the used readout circuit. A prototype image sensor with a $768\times 512$ resolution of 5- $\mu \text{m}$ pitch pixels is fabricated by using a modified 130 nm CMOS process for readout IC, together with the new CQD thin-film photodiode on top. Thanks to the optimized photodiode stack and co-integration process, the prototype image sensor shows less than 5% linearity error while having 40% external quantum efficiency in SWIR, which enables acquisition of high-quality images.
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