新型數(shù)字圖像傳感器問世 突破原有尺寸極限

  12月1日，從南開大學(xué)獲悉，日前，南開大學(xué)校友、美國阿拉巴馬大學(xué)華人教授宋金會帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，成功研制出像素尺寸僅為50納米的新型圖像傳感器，大幅度突破了當(dāng)前數(shù)字圖像傳感器像素尺寸為1000納米的極限。近期出版的材料類頂級科學(xué)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，2015，27，4454-4460）中“An Ultrahigh-Resolution Digital Image Sensor with Pixel Size of 50 nm by vertical Nanorod Arrays”一文詳細(xì)介紹了這項最新研究成果。
　　
　　超高分辨率的數(shù)字圖像傳感器對于科研探索、工業(yè)生產(chǎn)、人類生活、國防軍工等廣泛領(lǐng)域具有重大的價值與意義。然而，如何通過減小像素尺寸來提高數(shù)字圖像傳感器的分辨率，一直是困擾科學(xué)家們的難題。當(dāng)前，數(shù)字圖像傳感器CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合器件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)的最小像素尺寸分別是1.43微米和1.12微米。由于受半導(dǎo)體薄膜材料物理性質(zhì)與數(shù)字圖像傳感器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，這樣的像素尺寸已經(jīng)接近物理極限。若繼續(xù)縮小，像素將失去感光能力，不再具備有效的圖像傳感功能。
　　
　　宋金會指出，僅通過對原器件材料和構(gòu)架的改進(jìn)，難以突破當(dāng)前數(shù)字圖像傳感器的分辨率，還需要從原理、傳感器材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底革新。為此，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊采用“有源元器件”原理，把光強(qiáng)直接轉(zhuǎn)換為放大的電信號，研發(fā)全新的三維納米半導(dǎo)體光電材料和三維器件結(jié)構(gòu)，成功將數(shù)字圖像傳感器像素尺寸從1000納米降至50納米。
　　
　　據(jù)宋金會介紹，他與科研團(tuán)隊首先定義了一個新的數(shù)字電路基本元件，光子場效應(yīng)管(PET，Photon Effect Transistor)，這一發(fā)明實現(xiàn)了光強(qiáng)傳感和放大雙重功能。在光子場效應(yīng)管的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊利用現(xiàn)有實驗室和工業(yè)化的雙重加工技術(shù)，進(jìn)一步縮小了像素平面面積的大小。此外，團(tuán)隊利用材料表面活性處理，以及納米半導(dǎo)體陣列與金屬電極之間的肖特基勢壘，大幅度降低了傳感器的噪音并提高了像素感光響應(yīng)速度。若采用這一新型傳感器技術(shù)，按照當(dāng)前流行的全幅相機(jī)傳感器尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，全幅傳感器將擁有高達(dá)3000多億的像素，是現(xiàn)在傳感器的10000倍，這意味著未來數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)將拍攝出更加清晰、細(xì)致的圖像畫面。
　　
　　接下來，宋金會與科研團(tuán)隊將在這一新型數(shù)字圖像傳感器的基礎(chǔ)上，研究全彩色、高響應(yīng)速度的超高精度數(shù)字圖像傳感器，以此推進(jìn)其在光學(xué)、電子、通信等相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　
　　宋金會于1994年從遼寧省考入南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，1998年本科畢業(yè)并獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位。2002年赴美國佐治亞理工學(xué)院深造并獲得理學(xué)碩士學(xué)位，2008年獲得佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系工學(xué)博士學(xué)位。2011年進(jìn)入美國阿拉巴馬大學(xué)任教。他長期致力于納米科技的研究與應(yīng)用，獲得了多項美國專利。迄今為止撰寫5部專業(yè)書籍章節(jié)，在國際專業(yè)期刊上發(fā)表科技論文50余篇，被引用次數(shù)近8000次，h因子達(dá)34。