电容式CMOS阵列上通过溶液处理金属氧化物纳米颗粒实现的多光谱紫外成像

《Advanced Science》：Multispectral UV Imaging on Capacitive CMOS Arrays Enabled by Solution-Processed Metal-Oxide Nanoparticles

　　

紫外线（UV）成像仪对于多种应用至关重要，例如半导体行业的质量检测、法医学和食品质量检测，但通常成本高昂，因为它们需要专用的半导体工艺流程。研究人员介绍了一种成像芯片，该芯片采用标准40纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制造。该成像仪没有使用传统的基于电荷的光电探测原理，而是采用电容式操作原理，其中紫外线通过功能化层中的光介电效应（PDE）引起电容变化，这些变化由底层CMOS电路测量。这种旋涂或喷墨打印的功能化层由溶液处理的宽带隙半导体金属氧化物纳米颗粒组成，例如氧化锌（ZnO）、氧化锡（SnO₂）和氧化镓（Ga₂O₃）。由于其依赖于带隙的光吸收特性，这些材料在紫外A（UV-A）、紫外B（UV-B）和紫外C（UV-C）光谱区域表现出不同的电容响应，从而实现波段选择检测和多光谱紫外成像。传感器在紫外波段表现出低噪声等效功率（NEP，17-138 fW Hz^?1/2）。与传统硅CMOS成像仪不同，本电容式CMOS平台本质上是可见光盲的，提供选择性紫外检测。这项工作将后期功能化电容式CMOS阵列定位为降低紫外成像仪制造复杂性的途径，可导致其在消费和低容量特定应用产品中更广泛实施。

该论文发表在《Advanced Science》上，介绍了一种基于标准40纳米CMOS工艺的电容式多光谱紫外成像平台。研究背景方面，紫外成像在半导体质检、法医鉴定、食品监测等领域需求迫切，但传统紫外成像仪因需专用半导体工艺而成本高昂，且多数CMOS图像传感器对紫外波段灵敏度低。现有解决方案如窄带滤光片、下转换层或宽带隙材料集成，存在信号损失、效率低、工艺复杂或无法实现单平台波段选择性检测等局限。为此，研究人员提出利用后道集成（BEOL）的溶液处理金属氧化物纳米颗粒，对电容式CMOS像素化传感器（PCS）阵列进行功能化，以实现低成本、可定制的多光谱紫外成像。

研究人员开展的研究核心在于：采用40 nm CMOS工艺制造含三个独立32×32像素阵列的电容式传感器芯片，通过旋涂或喷墨打印在电极间沟槽内沉积宽带隙半导体金属氧化物纳米颗粒（ZnO、SnO₂、Ga₂O₃），利用光介电效应（PDE）使紫外光诱导电容变化，实现波段选择性探测。主要结论包括：ZnO、SnO₂、Ga₂O₃分别对UV-A、UV-B、UV-C产生特异性电容响应，器件在低强度紫外（0.5 μW cm^?2）下即可检测，噪声等效功率（NEP）低至17–138 fW Hz^?1/2，且具有可见光盲特性；喷墨打印可实现微区功能化，在同一阵列内完成多光谱成像；旋涂法可获得均匀传感层，实现高保真空间成像。该工作为低成本、可定制紫外成像仪的规模化应用奠定了基础。

关键技术方法主要有：采用标准CMOS工艺制造像素化电容传感器（PCS）阵列，含三个32×32电极矩阵，电极间距和尺寸各异，底部配有NMOS/PMOS开关晶体管用于电容测量；以溶液法分散ZnO、SnO₂、Ga₂O₃纳米颗粒（5 wt.%）制备水性或醇基墨水，通过旋涂（1500 rpm）或喷墨打印（10 pL液滴）沉积于芯片表面；利用紫外LED（375 nm、310 nm、255 nm）分别模拟UV-A、UV-B、UV-C光源，结合中性密度滤光片调节强度，用测量板记录电容变化；通过COMSOL Multiphysics进行有限元仿真，分析有效相对介电常数对电容的影响。

研究结果分四部分：

2.1 电容式CMOS紫外图像传感器工作原理：PCS芯片包含三个矩阵，电极呈柱状，深约2.25 μm，表面覆盖SiO₂（~330 nm）和Si₃N₄（~365 nm）钝化层，兼具化学防护和绝缘作用。电极通过垂直堆叠与CMOS开关晶体管相连，调制方波驱动，测量平均充电电流转化为等效电容。功能化后，紫外光激发纳米颗粒中的自由载流子，通过光介电效应改变电容，从而实现紫外探测。

2.2 通过纳米颗粒功能化实现多光谱紫外探测：滴涂实验显示，ZnO在UV-A下响应最强，SnO₂主要响应UV-B以下，Ga₂O₃仅对UV-C敏感，且所有器件对可见光无响应。在0.5–500 μW cm^?2强度范围内，ZnO和SnO₂电容变化可达13倍和16倍，Ga₂O₃约11倍。最大响应度分别为0.13、0.10、0.015 mF W^?1，NEP分别为17、22、138 fW Hz^?1/2。Ga₂O₃响应和恢复时间最快（0.32 s和0.25 s），ZnO经100°C固化后改善至0.44 s和2.45 s，SnO₂需200°C固化或更高温度预处理（500°C）后达1.5 s和8.7 s。COMSOL仿真表明电容变化正比于有效相对介电常数与紫外强度。

2.3 通过喷墨打印传感器实现多光谱成像：喷墨打印10 pL SnO₂液滴于矩阵1，单液滴覆盖14–15个像素，在UV-B下产生49.7 ± 7.5 aF响应。打印“TUD”图案后，仅UV-B下可见。增加液滴数量（1–30）可提升响应（82–573 aF）。ZnO和Ga₂O₃液滴响应较低，但通过在同一阵列上分别打印三种材料，实现了对UV-A、UV-B、UV-C的选择性检测。器件展现出低漂移、可重复性及长期稳定性。

2.4 通过旋涂传感器实现成像：旋涂SnO₂薄膜均匀覆盖矩阵1，UV-B下像素响应集中为33 ± 5 aF；ZnO旋涂膜对UV-A响应为58 ± 10 aF；Ga₂O₃因本征响应弱，采用滴涂获得162 ± 32 aF。通过激光切割金属掩模投影字母“T”“U”“D”，ZnO、SnO₂、Ga₂O₃分别清晰成像UV-A、UV-B、UV-C下的对应字母，验证了光谱选择性和成像保真度。动态跟踪移动光源实验表明平台具备实时成像潜力。

总结讨论部分指出：当前喷墨打印液滴扩散至多像素（14–15个）限制了空间分辨率，未来可通过减小液滴体积、表面处理或优化墨水流变学实现像素级功能化。此外，金属氧化物层的电响应受温度、湿度、氧气吸附等环境因素影响，后续需系统研究并开发稳定化策略。研究结论部分翻译如下：研究人员开发了用于多光谱紫外成像的电容式CMOS传感器，每个芯片包含三个32×32像素独立寻址阵列，允许在晶圆厂外进行用例特定的后期功能化。为激活传感器对不同紫外波段的选择性探测，利用了宽带隙半导体金属氧化物纳米颗粒。与传统基于电荷的成像仪不同，本器件采用电容式操作原理，通过光介电效应使紫外光引起功能化层电容变化。在紫外照射（500 μW cm^?2）下，功能化像素产生高达2462 aF的电容变化，约为最低可量化电容响应的746倍。在紫外波段内，传感器具有低噪声等效功率（17–138 fW Hz^?1/2），与最先进紫外探测器相当。此外，精确喷墨打印实现了高度局部化功能化，并在单个阵列内支持多光谱紫外检测，即使使用超低材料体积（10 pL）也展示了电容式CMOS平台的多功能性。旋涂功能化金属氧化物层则实现了均匀、高分辨率和波段选择性紫外成像，无需标准CMOS成像仪通常所需的高温工艺。因此，本工作建立了一种可扩展、可持续且完全CMOS兼容的策略，用于制造低成本多光谱紫外成像仪，并具有扩展到其他光谱区域的潜力。除成像外，本工作还为开发多功能单片多传感平台开辟了新途径，通过集成不同功能材料可实现对外部刺激的广泛检测，为未来应用铺平道路。