新型数字图像传感器问世

寂静天花板

12月1日，从南开大学获悉，日前，南开大学校友、美国阿拉巴马大学华人教授宋金会带领的科研团队，成功研制出像素尺寸仅为50纳米的新型图像传感器，大幅度突破了当前数字图像传感器像素尺寸为1000纳米的极限。近期出版的材料类顶级科学期刊《先进材料》（Advanced Materials，2015，27，4454-4460）中“An Ultrahigh-Resolution Digital Image Sensor with Pixel Size of 50 nm by vertical Nanorod Arrays”一文详细介绍了这项最新研究成果。
超高分辨率的数字图像传感器对于科研探索、工业生产、人类生活、国防军工等广泛领域具有重大的价值与意义。然而，如何通过减小像素尺寸来提高数字图像传感器的分辨率，一直是困扰科学家们的难题。当前，数字图像传感器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)的最小像素尺寸分别是1.43微米和1.12微米。由于受半导体薄膜材料物理性质与数字图像传感器传统结构的限制，这样的像素尺寸已经接近物理极限。若继续缩小，像素将失去感光能力，不再具备有效的图像传感功能。

宋金会指出，仅通过对原器件材料和构架的改进，难以突破当前数字图像传感器的分辨率，还需要从原理、传感器材料与结构进行彻底革新。为此，他带领科研团队采用“有源元器件”原理，把光强直接转换为放大的电信号，研发全新的三维纳米半导体光电材料和三维器件结构，成功将数字图像传感器像素尺寸从1000纳米降至50纳米。
据宋金会介绍，他与科研团队首先定义了一个新的数字电路基本元件，光子场效应管(PET，Photon Effect Transistor)，这一发明实现了光强传感和放大双重功能。在光子场效应管的基础上，科研团队利用现有实验室和工业化的双重加工技术，进一步缩小了像素平面面积的大小。此外，团队利用材料表面活性处理，以及纳米半导体阵列与金属电极之间的肖特基势垒，大幅度降低了传感器的噪音并提高了像素感光响应速度。若采用这一新型传感器技术，按照当前流行的全幅相机传感器尺寸为标准，全幅传感器将拥有高达3000多亿的像素，是现在传感器的10000倍，这意味着未来数字相机、数字摄像机将拍摄出更加清晰、细致的图像画面。
接下来，宋金会与科研团队将在这一新型数字图像传感器的基础上，研究全彩色、高响应速度的超高精度数字图像传感器，以此推进其在光学、电子、通信等相关基础科学与技术领域中的应用。

$ v% y8 l2 t% i/ K" N" n" q' b宋金会于1994年从辽宁省考入南开大学物理科学学院，1998年本科毕业并获得理学学士学位。2002年赴美国佐治亚理工学院深造并获得理学硕士学位，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年进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，获得了多项美国专利。迄今为止撰写5部专业书籍章节，在国际专业期刊上发表科技论文50余篇，被引用次数近8000次，h因子达34。


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