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世界第一个50纳米超高分辨率数字图像传感器诞生

导读: 华人科学家实现了世上第一个50纳米级的超高分辨率数字图像传感器,打破了这个领域数字图像传感器像素的行业极限,引起国际电子、军工、航天、医疗、激光、信息存储技术以及有关部门的合作兴趣。

  最新一期的顶级科学期刊《Advanced Materials尖端材料》披露,华人科学家实现了世上第一个50纳米级的超高分辨率数字图像传感器,打破了这个领域数字图像传感器像素尺寸为1微米的行业极限,引起国际电子、军工、航天、医疗、激光、信息存储技术以及有关部门的合作兴趣。6日,拥有这个技术的中国籍科学家宋金会教授表示,会优先考虑这项技术的商业应用和推广,并持续保持团队在这个前沿高科技领域的研发优势。

  根据美国行业学术期刊《尖端材料》中的文章,(“An Ultrahigh-Resolution Digital Image Sensor with Pixel Size of 50 nm by vertical Nanorod Arrays”2015,27, 4454-4460), 美国阿拉巴马大学华人学者宋金会教授研究组报道了一种基于纳米半导体技术的新型数字图像传感器,其像素尺寸竟然成功缩小到了50纳米,大幅度打破当前数字图像传感器像素尺寸极限(1微米,即1000纳米)。这在数字图像传感器技术史上是里程碑性的突破。宋金会教授带领他的博士研究生江城鸣通过利用三维半导体纳米材料,纳米材料表面修饰技术,以及完全不同于当前数字图像传感器的器件机理,研制出仅有50纳米直径大小的传感器像素,而且这一微小像素仍具有图像采集传感功能。

  宋金会教授表示,“当前数字图像传感器分辨率的突破,必须要从传感器材料和结构两方面都进行彻底的革新,而不能靠在原器件构架和材料的基础上的改进。他们的超高分辨率数字图像传感器的实现正是基于在半导体光电材料和奇妙的新型三维器件的机理上得以实现的。”

  宋教授介绍说,具体而言,首先他们定义了一个新的数字电路基本元件:光子场效应管(PET)。PET具有两电极结构,甚至简单于CMOS数字图像传感器像素中的一个场效应管放大器,但是PET却能实现光强传感和放大双重功能。也就是说,PET以一个异常简单的半导体元件结构却能实现数字图像传感器像素中光电二极管,场效应管放大器的综合像素功能,进而为简化数字图像传感器结构打下了坚实的基础。在定义PET的基础上,他们利用电子束光刻以及半导体纳米柱自然生长的综合方法,制备出三维PET纳米像素阵列,进一步缩小了像素平面面积的大小。另外他们巧妙的利用了纳米材料表面修饰,以及纳米半导体阵列与金属电极之间的肖特基势垒,极大的降低了传感器噪音。纳米半导体材料加上三维的器件结构,使得这一新型数字图像传感器的分辨率大幅度超越当前数字图像传感器极限,将最高分辨率从1微米直接降到50纳米。如果按当前流行的全幅相机传感器尺寸为标准,如果采用这一新型数字图像传感器技术,全幅传感器将拥有惊人的3000多亿像素,是现在传感器的10000倍。

  宋教授的研发团队表示,这一超高分辨率将对图像信息存储,超分辨显微技术,光与物质相互作用,以及光子计算机等一系列重要的技术科学领域产生巨大的影响。研究团队下一步将在这一新型传感器基础上,研究全带宽相应,即全彩色,高响应速度的超高精度数字图像传感器,并进一步以此为基础推进其在基础科学与技术领域中的应用。

  宋金会教授于1998年本科毕业于南开大学物理系,2002年赴美到佐治亚理工学院深造,并于2004年获得佐治亚理工学院物理系力学硕士学位,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年加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,迄今为止在国际专业期刊上发表科技论文50多篇。

  20世纪后半页以来,半导体技术的兴起,引发人类社会第三次技术革命,数字化技术席卷众多领域。在图像记录领域,数字图像传感器,以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)为代表,迅速发展,并于21世纪初迅速替代绝大部分以胶片为载体的图像信息记录技术。

  最近随着微电子集成技术的发展,CMOS逐渐占据市场主体,广泛应用于民用,工业等广泛领域,据美国权威市场调研公司IC Insights 报告,2015年仅CMOS这一主流数字图像传感器的民用市场销售额将突破100亿美金。

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