CN105185797B - 数字图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字图像传感器，包括三维的半导体纳米柱、带状的薄膜透明电极和硅基薄膜，所述半导体纳米柱的两端端面分别与所述薄膜透明电极的一侧表面连接，形成源极和漏极，且源极的薄膜透明电极与漏极的薄膜透明电极互相垂直，所述薄膜透明电极的另一侧表面与硅基薄膜连接。本发明将现有的数字图像传感器的分辨率从微米量级突破到纳米分辨率，对分辨率实现了数量级的变化。像素尺寸小于可见光波长的数字图像传感器的发明，不但对于实现超高清图像传感技术具有革命性推进，而且对于研究光与物质的相互作用具有奠基性的意义。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是指一种纳米像素超高清数字图像传感器。
背景技术
视觉是是人类和自然交互的最主要感知系统，而作为视觉信息的采集记录方法，即图像的记录则是人类技术进步的主要标志。从远古时代的壁画，古代的绘画，以及近代的胶片，都代表着人类对图像信息的记录技术的掌握和发展。自半导体工业兴起后，二十世纪七十年代开始，数字图像传感器产生并迅速发展于二十世纪末二十一世纪初，数字图像传感器开始几乎完全替代了胶片，开启了图像传感记录的数字化时代。如今数字图像传感器大量应用于民用图像记录，工业自动化生产，以及军工领域，成为图像传感记录的主要技术。
当前，数字图像传感器是基于半导体像素点阵结构，将投射其表面的图像信息传感成电信号，进而以数字化信号的方式记录图像。像素是数字图像传感器记录平面图像信息的最小基本单元，大量相同的像素按矩阵规则排列，形成传感器，像素的大小即分辨率。像素尺寸越小，单位面积内图像信息记录的就越多。因此，像素尺寸的大小是数字图像传感器最重要的性能指标。
当前主要的数字图像传感器均基于半导体薄膜技术，经多次光刻过程，形成像素点阵，按照结构可分为CCD和CMOS两种。CCD，电量耦合器(charge-coupled device)的简称，其像素的主要结构是经半导体薄膜光刻而成的光电二极管，投射其表面的光强，产生光生载流子，CCD经内置电路将每一像素中所产生的光生载流子依次转移到同行下一像素中，类似于电容电量的转移。在每行后，电量进行放大计算，进而获得图像光强在相应像素点位置的光强电量信息，从而实现整个平面图像的数字化信息。CMOS，互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor)放大器的简称，CMOS是数字逻辑电路的基本元件，当其用于放大数字图像传感器像素的光电二极管信号时，数字图像传感器的每个像素都有独立的放大系统，这样的主动数字图像传感器也被称为CMOS。CMOS数字图像传感器像数由光电二极管感光部分和电子放大器两部分构成，均经过半导体薄膜经多道光刻等复杂的加工技术制成。占像素的大部分面积的光电二极管，将投射其表面的光强信息转换成电信号，电信号经像素的独立放大元件进行放大，构成传感器的整个像素点阵，进而实现对于投射其表面的图像信息的数字化采集。
可见，光电二极管是CCD和CMOS像素的主要部件，用于光电信号传感，其有效面积必须大于一定阀值时，对应的光电信号信噪比才能满足图像传感需要。对于CCD而言，由于是被动方式工作，其光电信号主要取决于光电二极管的光生载流子，所以光电二极管的面积要大于临界值，而不能无限减小。当光电二极管的面积小于一定阀值时，光电信号将被背景噪音淹没而失去感光功能，所以CCD的像素不能无限减小，当前CCD的最高分辨率，即像素点的大小为1.43微米。而对于CMOS，每个像素有对应的主动放大场效应管元件，所以光电二极管的大小可以更进一步缩小，但是为保持光电二极管的感光功能，像数点同样也不能无限缩小，不能超过基于硅基半导体薄膜的物理极限。而且，像素面积要由光电二极管和放大器共享，进一步减小像素尺寸，难度极大。因此，当前最高CMOS的分辨率，即像素点大小为1.12微米。综上，由于受限于硅基薄膜材料的光电效应，以及对应的光电二极管像素结构限制，当前数字图像传感器的分辨率已经接近理论极限，在当前的技术基础上，进一步缩小像素尺寸，大幅度提高分辨率，已经不可能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种数字图像传感器，以提高其分辨率。
基于上述目的，本发明提供的数字图像传感器包括三维的半导体纳米柱、带状的薄膜透明电极，所述半导体纳米柱的两端端面分别与所述薄膜透明电极的一侧表面连接，形成源极和漏极，且源极的薄膜透明电极与漏极的薄膜透明电极互相垂直。
在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱为宽带半导体纳米柱。
在本发明的一些实施例中，所述纳米柱的横截面为多边形或者圆形。
可选地，所述纳米柱的横截面为六边形。
在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱选自氧化锌纳米柱，氮化镓纳米柱，或是任何半导体中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述纳米柱的半径40-60纳米，高度为600-1000nm。
在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱的表面经高分子氧化还原材料镀膜修饰，以增强半导体纳米柱的光电响应效果。
在本发明的一些实施例中，所述表面修饰材料选自聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyldimethylammonium chloride)和聚苯乙烯硫酸酯(polystyrene sulfate)中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述表面修饰的方法是高分子镀膜。
在本发明的一些实施例中，所述薄膜透明电极与半导体纳米柱的端面之间形成肖特基势垒。
在本发明的一些实施例中，所述硅基薄膜选自聚二甲基硅氧烷薄膜。
在本发明的一些实施例中，所述薄膜透明电极选自金电极，或任何透明电极。
在本发明的一些实施例中，所述半导体纳米柱垂直于所述硅基薄膜。
从上面所述可以看出，本发明提供的数字图像传感器突破了当前数字图像传感器技术的物理极限，实现了数字图像传感器最重要、最根本的技术指标-分辨率的革命性突破。本发明将现有的数字图像传感器的分辨率从微米量级突破到纳米分辨率，对分辨率实现了数量级的变化。像素尺寸小于可见光波长的数字图像传感器的发明，不但对于实现超高清图像传感技术具有革命性推进，而且对于研究光与物质的相互作用具有奠基性的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的数字图像传感器中一个半导体纳米柱与薄膜透明电极的结构示意图，Source:源极，Drain：漏极，Photon:光子；
图2为本发明实施例的数字图像传感器中阵列半导体纳米柱与薄膜透明电极的结构示意图，PET：光子场效应管英文简称；
图3为本发明实施例的数字图像传感器中以半导体纳柱阵列为像素点的像素结构，ZnO NW：氧化锌纳米柱，PDMS base:硅胶衬底，Gold electrode:金电极；
图4为本发明实施例的数字图像传感器中三维半导体纳米柱对光强的放大作用(10V偏压下)，Work voltage:工作电压，Current(nA):电流(纳安)，Light Intensity(mW·cm-2):光强(毫瓦/平方厘米),Source:源极，Drain：漏极，Photon:光子；
图5为现有技术中数字图像传感器的CMOS像素结构,Photodiode(PD):光电二极管，Field-effect transistor(FET):场效应管；
图6为本发明实施例的数字图像传感器中三维半导体纳米柱的像素结构，Photon-effect transistor:光子场效应管，Photon Gate:光子门；
图7为本发明实施例的氧化锌纳米柱对应不同光强的电流映射(10V偏压下)，Workvoltage:工作电压，Current(nA):电流(纳安)，Light Intensity(mW·cm-2):光强(毫瓦/平方厘米)；
图8为在恒定光强下，本发明实施例的氧化锌纳米柱在增加偏压的情况下持续增大输出电流，μW·cm-2：微瓦/平方厘米，Light：光照，Dark：无光，Current(nA):电流(纳安)，Voltage(V)：电压(伏)；
图9为本发明实施例的氧化锌纳米柱对光强的相应速度(10V偏压下)，Workvoltage:工作电压，μW·cm-2：微瓦/平方厘米，Current(nA):电流(纳安)，μs:微秒，OFF:(光照)熄灭，ON:(光照)点亮；
图10为本发明实施例的以半径为50纳米的氧化锌纳米柱作为光子场效应管时光电相应开关比与纳米柱高度的关系，On/Off ratio:开关比，Height:(纳米柱)高度，Exp.:实验数据，Fitting:拟合数据；
图11为本发明实施例的有无表面修饰的氧化锌纳米柱的光电响应对比图，Voltage(V):电压(伏)，Current(nA):电流(纳安)，Light：光照，Light(Funct.NR):光照(表面修饰的纳米柱)，Dark：无光照，Dark(Funct.NR):无光照(表面修饰的纳米柱)；
图12为本发明实施例的以氧化锌纳米柱为光子场效应管时，其电流与光强的对应关系，Current(nA):电流(纳安)，Light Intensity(mW·cm-2):光强(毫瓦/平方厘米)；
图13为本发明实施例的有无肖特基势垒对半导体纳米柱的光电响应对比Voltage(V):电压(伏)，Current(nA):电流(纳安)，Light：光照，Dark:无光照；
图14为本发明实施例的有无表面修饰以及有无肖特基势垒对半导体纳米柱的光电响应对比，Time(s):时间(秒)，Current(nA):电流(纳安)，On：有光照，Off：无光照，ZnONR：氧化锌纳米柱，Funct.NR:表面修饰的纳米柱，Funct.+Schot.表面修饰的纳米柱+肖特基势垒；
图15为本发明实施例的数字图像传感器被光电照射时的结构示意图,Light；光斑位置；
图16为本发明实施例的依次为只是氧化锌纳米柱、经表面修饰的氧化锌纳米柱、以及以肖特基连接的经表面修饰的氧化锌纳米柱的像数点光电响应柱状图，I(nA):电流(纳安)，ZnO NR：氧化锌纳米柱，Schot.NR:肖特基纳米柱，Funct.+Schot.:表面修饰(氧化锌纳米柱)+肖特基势垒；
图17为本发明实施例的封装好的数字图像传感器照片；
图18为本发明实施例的数字图像传感器的读取示意图，Light：光斑位置，PROCESSOR：处理器；
图19为低分辨率下的“T”字母图像；
图20为本发明实施例的数字图像传感器记录的“T”字母图像；
图21为“T”经成像系统在本发明实施例的数字图像传感器上记录下单超高清图像，Object:物，Lens：透镜，Image:像；
图22为本发明提供的数字图像传感器记录的洋葱表皮细胞的显微图。
其中：1、半导体纳米柱，2、薄膜透明电极，21、源极的薄膜透明电极，22、漏极的薄膜透明电极，3、硅基薄膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的数字图像传感器包括三维的半导体纳米柱、带状的薄膜透明电极，所述半导体纳米柱的两端端面分别与所述薄膜透明电极的一侧表面连接，形成源极和漏极，且源极的薄膜透明电极与漏极的薄膜透明电极互相垂直，所述薄膜透明电极的另一侧表面与硅基薄膜连接。
参见图1-3，作为本发明的一个实施例，所述数字图像传感器包括三维的半导体纳米柱1、带状的薄膜透明电极2和硅基薄膜3，所述半导体纳米柱1的两端端面分别与所述薄膜透明电极2的一侧表面连接，形成源极和漏极，且源极的薄膜透明电极21与漏极的薄膜透明电极22互相垂直，所述薄膜透明电极2的另一侧表面与硅基薄膜3连接。在材料上，优选光电特性强的半导体材料，更为优选地，使用极强光电效应的新型半导体，例如氧化锌纳米柱和氮化镓纳米柱等，可以显著增强像素的光电效应。。用从底到顶的合成方法或者从顶到底的加工方式制备得到三维的半导体纳米柱1，作为像素点的基本材料。参见图4，所述三维半导体纳米柱对光强具有显著的放大作用。优选地，所述半导体纳米柱1垂直于所述硅基薄膜3。
本发明以三维的半导体纳米柱(称之为光子场效应管，Photon-effecttransisitor，简称PET)为像素点，可以大幅度降低像素的复杂度。通过图5和6可以看出，CMOS像素结构包括光电二极管(PD)和相应的场效应管放大器(FET)及复杂的内部连线，但是本发明的半导体纳米柱(PET)仅有两管脚结构，从而使以光子场效应管为像素的数字图像传感器的结构更为简单。因此，本发明创造性地以三维的半导体纳米柱作为像素点，将光电信号传感(光强信号转换为电信号)，以及电信号的放大集成成一个双电极的简单电子元件，通过这一双电极的电子元件(光子场效应管)，就可以实现光电二极管以及三电极的场效应管放大器的综合功效，从而以全新的光子场效应管为像素点的数字图像传感器可以突破当前CCD和CMOS的像素尺寸极限，实现数字图像传感器分辨率革命性的突破。
本发明的结构原理：半导体纳米柱1与其两端端面连接的薄膜透明电极2分别形成源极，漏极，光强照射纳米柱1表面控制纳米柱1的电导率，从而实现对光强的电流转换以及放大过程。优选地，所述半导体纳米柱1垂直于薄膜透明电极2。参见图7-9，以氧化锌纳米柱为例，10V偏压下，氧化锌纳米柱(光子场效应管)对应不同光强的电流映射：线性放大过程；恒定光强下，氧化锌纳米柱(光子场效应管)在增加偏压的情况下持续增大输出电流；氧化锌纳米柱(光子场效应管)对光强的相应速度。
在本发明的一个实施例中，所述半导体纳米柱1为宽带半导体纳米柱。
在本发明的一个实施例中，所述硅基薄膜3选自聚二甲基硅氧烷薄膜。在本发明的另一个实施例中，所述薄膜透明电极2选自金电极。
在本发明的一个较佳实施例中，所述半导体纳米柱1采用半径为50nm、高度为800nm的氧化锌纳米柱，以进一步提高该纳米柱1的光电相应开关比，参见图10。在本发明的另一个实施例中，所述半导体纳米柱1采用半径为45nm、高度为750nm的氧化锌纳米柱。在本发明的另一个实施例中，所述半导体纳米柱1采用半径为50nm、高度为820nm的氧化锌纳米柱。在本发明的另一个实施例中，所述半导体纳米柱1采用半径为55nm、高度为800nm的氧化锌纳米柱。通过优化三维半导体纳米柱的高度与半径(截面)的大小比，可以进一步提高像素光电响应。
在本发明的一个优选实施例中，所述半导体纳米柱1采用高分子溶液旋镀的方法进行表面功能处理，然后经干燥形成高分子氧化还原材料镀膜。
在本发明的一些实施例中，所述表面修饰材料聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyldimethylammonium chloride)和聚苯乙烯硫酸酯(polystyrene sulfate)中的至少一种。
可以大幅提高像素点的光电响应，进而进一步缩小像素点材料，提高了像素光电响应速度，参见图11。参见图12，以氧化锌纳米柱为光子场效应管时，其电流与光强的对应关系基本为线性，说明其具有作为数字图像传感器的基本特征。
在本发明的一个较佳实施例中，所述薄膜透明电极2与半导体纳米柱1的端面之间形成肖特基势垒，不但可以提高像素的光电响应速度，光电效应强度，而且可以有效的抑制背景噪音，进而为进一步提高分辨率，增强传感器其性能起到独特而关键的作用，参见图13。继续参见图14，三维氧化锌纳米柱，经表面修饰的三维氧化锌纳米柱，以及以肖特基接触连接的经表面修饰的三维氧化锌纳米柱的光电响应曲线，可见依次增强的光电响应。
参见图15和图16，通过对应的像数点光电响应柱状图的对比可以看出，只是氧化锌纳米柱、经表面修饰的氧化锌纳米柱、以及以肖特基连接的经表面修饰的氧化锌纳米柱的光电响应依次增强。
在本发明的一个实施例中，采用相互垂直的带状透明顶电极、底电极分别连接三维的半导体纳米柱阵列，从而形成三维光子场效应管阵列的源漏极，制备成超高清数字图像传感器原型。图17示出了封装好的超高清数字图像传感器照片，该超高清数字图像传感器的读取示意图如同18所示。
以“T”成像为例，图19为低分辨率下的“T”字母图像，图20为该超高清数字图像传感器记录的“T”字母图像，图21为“T”经成像系统在该超高清数字图像传感器上记录下单超高清图像
以洋葱表皮细胞为例，图22为本发明提供的数字图像传感器记录的洋葱表皮细胞的显微图，图中右下角的插件是普通数字图像传感器CCD记录的洋葱表皮细胞的显微图，可见，本发明提供的数字图像传感器具有超高分辨率，在传感高清图像方面具有革命性优势。本发明提供的新型纳米数字图像传感器分辨率的革命性突破：像素点尺寸50纳米，甚至更小，有效分辨率小于70纳米。
本发明还提供了一种制备上述数字图像传感器的方法，包括以下步骤：
1)通过自顶到底的光刻或者电子束刻写，或者自底到顶生长的方法，制得三维的半导体纳米柱；
2)采用绝缘介质填充半导体纳米柱后，将该纳米柱从衬底上揭起，形成两端端面均可进行半导体加工的状态，该步骤可以大幅度降低加工工序；
3)通过光刻或者电子束刻写，或者纳米压印的方法，制得薄膜透明电极；
具体地，在本发明的一个实施例中，所述纳米压印电极的方法包括：采用柔性液态高分子材料旋涂固化纳米掩膜版本，形成纳米条状结构；然后用光刻胶填充，离子束减薄，争渡透明电极薄膜；经冲洗光刻胶，形成透明纳米带状电极。
4)将所述带状透明纳米电极以互相垂直的方式连接至纳米柱的两端，形成可读写的纳米光子场效应管像素，进而制得纳米数字图像传感器。
可选地，也可以用当前广泛应用的光刻的方法形成纳米带状薄膜透明电极，从而制得纳米数字图像传感器。
由此可见，本发明提供的数字图像传感器具有以下有益效果：
1)结构上抛弃当前数字图像传感器光电二极管以及其放大部件的像素结构，本发明以简单的只有两个电极的三维的半导体纳米柱(三维光子场效应管)来实现整个像素的光强到电信号的转化以及放大功能，
2)以三维半导体纳米材料作为像素点，通过增高像素高度来进一步减少像数面积，既进一步突破当前数字图像传感器像素尺寸既分辨率的极限，实现像素尺寸和分辨率的革命性突破；
3)三维半导体纳米柱的光电响应可以通过优化三维半导体纳米柱的高度与半径(截面)，材料表面修饰，以及单向肖特基势垒进一步大幅度提高，形成满足图像感知功能的传感器像数：足够大的光强开关比，以及快速响应速度；
4)使用极强光电效应的新型宽带半导体，如氧化锌，氮化镓等。
因此，本发明提供的数字图像传感器突破了当前数字图像传感器技术的物理极限，实现了数字图像传感器最重要、最根本的技术指标-分辨率的革命性突破。本发明将现有的数字图像传感器的分辨率从微米量级突破到纳米分辨率，对分辨率实现了数量级的变化。像素尺寸小于可见光波长的数字图像传感器的发明，不但对于实现超高清图像传感技术具有革命性推进，而且对于研究光与物质的相互作用具有奠基性的意义。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种数字图像传感器，其特征在于，包括三维的半导体纳米柱、带状的薄膜透明电极和硅基薄膜，所述半导体纳米柱的两端端面分别与所述薄膜透明电极的一侧表面连接，形成源极和漏极，且源极的薄膜透明电极与漏极的薄膜透明电极互相垂直，所述薄膜透明电极的另一侧表面与硅基薄膜连接。
2.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述半导体纳米柱为宽带半导体纳米柱。
3.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述纳米柱的横截面为多边形或者圆形。
4.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述半导体纳米柱选自氧化锌纳米柱和氮化镓纳米柱中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的数字图像传感器，其特征在于，所述纳米柱的半径40-60纳米，高度为600-1000nm。
6.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述三维半导体纳米柱的表面经高分子氧化还原材料镀膜修饰，所述表面修饰材料选自聚二烯丙基二甲基氯化铵和聚苯乙烯硫酸酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述薄膜透明电极与半导体纳米柱的端面之间形成肖特基势垒。
8.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述硅基薄膜选自聚二甲基硅氧烷薄膜。
9.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述薄膜透明电极选自金电极。
10.根据权利要求1所述的数字图像传感器，其特征在于，所述半导体纳米柱垂直于所述硅基薄膜。
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