进入光率100%的理论！CMOS迎来了巨大的突破

电子爱好者网报道(文章 / 受光学分光机制和材料特性的影响，吴子鹏)（CMOS）每一个像素只能接收大约三分之一的可用光。光线接收量与信号强度成正比，所以传统的硅图像传感器往往需要通过增加曝光时间或增加 ISO 补偿增益。最近，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）与瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）联合研制的钙钛矿图像传感器，已成为材料科学与光电技术领域的一大进步，在《自然》杂志上发表了相关成果。

硅图像传感器性能瓶颈

作为当前主流成像技术的关键，硅图像传感器的性能受到材料物理特性、设备结构和工艺工艺的限制。

硅基 CMOS 拜耳滤光片阵型广泛用于传感器。（Bayer Filter Array）实现彩色显像。这种结构中，每一个像素都是红色的（R）、绿（G）、蓝（B）三色滤光片周期性覆盖，一般比例为 2 绿：1 红：1 蓝。光源入射时，每个像素只能通过相应颜色的滤光片吸收特定波长的光，其他波长的光(如红光像素会阻挡绿光和蓝光)会被滤光片吸收或反射，造成能量损失。这一设计促使每一个像素的光利用率理论上限为 33%，但实际上由于滤光片吸收率、光散射和电路结构的阻隔，有效光利用率较低。

与此同时，硅材料的光学特性也有局限性。硅片的带隙大约是 1.1eV，可见光波段主要集中在光吸收范围(波长) < 1100nm）。尽管硅对能见光的吸收效率较高，但是滤光片的分光机制使得每一个像素只能使用特定波长的光，很难实现全光谱吸收。另外，硅传感器的前照式结构（FSI）在中间，光电二极管位于电路晶体管下方，金属线路和微透镜将进一步阻挡入射光，增加光线损失。< 1100nm）。虽然硅对能见光吸收效率较高，但滤光片的分光机制使每个像素仅能运用特定波长的光，难以实现全光谱吸收。此外，硅传感器前照式构造（FSI）中，光电二极管位于电路晶体管下方，金属走线和微透镜会进一步阻拦入射光，增加光损失。

硅传感器需要通过去马赛克算法，因为每个像素只记录单一的颜色信息。（Demosaicing）插值估计缺失的颜色数据，这个过程可能会导致噪声和细节模糊。为了弥补光线损失，传感器增加收益或延长曝光时间，会加剧暗电流噪声和动态范围的压缩。另外，滤光片分光也可能引起摩尔纹。（Moir é Pattern）和颜色串扰（Cross-Talk），降低成像质量。

钙钛矿传感器的颠覆性突破

苏黎世联邦理工学院为了克服硅图像传感器的性能瓶颈（ETH Zurich）与瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的 Maksym Kovalenko 他们的团队开发了一种新型的钙钛矿基图像传感器。

瑞士团队通过垂直堆叠不同缝隙的钙钛矿层，完全重构了彩色显像机制。光源可以依次通过各个层次，红光被底层吸收，绿光被中间层吸收，蓝光被顶层吸收。这种设计使得每个像素都可以同时捕捉红、绿、蓝三色光，无需滤光片。理论上，光的利用率可以达到硅传感器。 3 倍数，光利用率理论上限为 100%。

试验表明，钙钛矿传感器红、绿、蓝通道外量子效率（EQE）分别达 50%、47% 和 53%，明显优于硅传感器滤光片方案。由于不需要去马赛克算法，钙钛矿传感器从硬件上消除了摩尔纹和颜色误差，颜色的准确性（Δ ELab）优于传统滤光片阵型和 Foveon 型传感器。另外，钙钛矿的高吸收系数(高于硅) 1 - 2 数量级)然后在暗光环境中仍然可以保持高灵敏度，暗电流噪声和信噪比优异。

另外，提供钙钛矿传感器 “硬件原生高质量数据”，可以节省大部分后端算法优化，重构工业成本模型。

钙钛矿物传感器落地挑战

然而，钙钛矿传感器也面临着许多落地问题。钙钛矿对湿度、氧气、温度和光照极其敏感，水分容易渗透到钙钛矿的晶体结构中，导致晶格畸变和离子迁移，导致光电性能下降，甚至分解成铅盐和有机胺。钙钛矿中的有机阳离子和卤素离子容易在电场或光照下转移，导致像素间串扰、暗电流增大和信号漂移，直接关系到图像的信噪比。（SNR）和动态范围（DR），对于高分辨率传感器，像素尺寸的缩小会加重离子迁移的影响，导致图像失真。

此外，硅基图像传感器依靠完善的半导体光刻和薄膜沉积技术，可以实现纳米精度的像素阵型制备。然而，钙钛矿薄膜的常用溶液法很难实现大规模匀称晶体。如何在不损坏的情况下实现？ CMOS 在制备钙钛矿层的前提下，实现高密度像素的精确对合，仍然是工程应用中的一个关键问题。

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