垂直堆叠式钙钛矿图像传感器实现更准确的色彩还原

相比传统的硅基CMOS图像传感器，新型垂直堆叠式钙钛矿图像传感器的光敏性更强，色彩还原更为准确。

近期，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的研究团队开发了一款基于钙钛矿材料的新型图像传感器。作为一种半导体材料，钙钛矿可以显著提升色彩准确度并减少图像伪影。

研究人员已通过两款钙钛矿图像传感器原型在技术层面验证了小型化的可行性，图示为其中一款原型。

这项新技术相比传统的硅基CMOS图像传感器具有显著优势，包括更高的光敏度、更佳的色彩还原度等。钙钛矿图像传感器在机器视觉应用方面也展现出巨大的发展潜力。

不同图像传感器架构的原理示意图、架构和外量子效率（EQE）光谱

突破硅基CMOS图像传感器的局限性

图像传感器是智能手机和数码相机等终端的关键组件，通过像素单元捕捉光线实现颜色检测。传统的硅基CMOS图像传感器需依赖RGB（红色、绿色、蓝色）滤光片分光，这一过程会导致光能量的损失，降低感光效率并限制图像传感器性能。相比之下，新型垂直堆叠式钙钛矿图像传感器无需滤光片即可捕获全波段光线。

钙钛矿材料解析

钙钛矿是一种化学式为ABX₃的晶体材料，其晶体结构与钙钛矿矿物（主要成分是三氧化钛钙（CaTiO₃））相似。作为最丰富的晶体结构族之一，钙钛矿材料在太阳能电池、微电子等领域展现出多元特性与应用价值。

这一技术突破的核心在于卤化铅钙钛矿的应用。卤化铅钙钛矿是一种晶体半导体材料，具有独特的性能，可选择性吸收特定波长的光。通过调整钙钛矿的化学成分，研究人员可以使该材料分别吸收红光、绿光或蓝光，同时对其它波长的光保持透明。

这一特性使卤化铅钙钛矿无需传统RGB滤光片，且能通过像素单元在图像传感器内的垂直堆叠设计，提升光捕获效率与空间分辨率。

垂直堆叠式图像传感器架构和性能

垂直堆叠式图像传感器的色彩准确度

使用交叉配置的单片堆叠式图像传感器进行成像

技术优势验证

在最初的实验中，研究小组证明，钙钛矿图像传感器的光捕获能力可达到同尺寸的硅基CMOS图像传感器的3倍。这使其对光的灵敏度更高，并能够提供色彩分辨率更高的图像。此外，新型钙钛矿图像传感器还能减少常见的数码摄影伪影，例如去马赛克和莫尔效应，这些伪影是由于传统图像处理的局限性而产生的。

研究人员已成功制备两款功能完整的钙钛矿图像传感器，这标志着该技术向前迈出了重要的一步。虽然这项技术仍处于研发早期阶段，但钙钛矿图像传感器小型化的进展显示其有望快速投入实际应用。

苏黎世联邦理工学院无机化学教授、功能无机材料小组负责人Maksym Kovalenko指出：“我们正在进一步推进钙钛矿图像传感器研发进程，以期从粗略的原理验证阶段上升到实际应用的层面。之前，单个晶体管是由大块锗晶体和简单连接件构成。而60年后的今天，晶体管尺寸已缩小至纳米级。”

机器视觉领域的潜在应用

除消费类相机及智能手机之外，钙钛矿图像传感器在机器视觉系统中也有良好的应用前景，这对于医学、农业和环境监测等领域至关重要。

相较于传统的CMOS图像传感器，钙钛矿图像传感器可定制化捕获特定波长范围的光线，实现高光谱成像。这种超越RGB三原色通道的成像技术，可用于医学诊断中的特定生物标志物检测、精准农业中的农作物健康监测等。

CMOS图像传感器需要依赖于复杂的滤光片和算法来实现宽光谱捕获，而钙钛矿材料可被精确控制每层钙钛矿吸收的波长范围，这是其关键优势所在。因此，钙钛矿图像传感器可以简化和提高高光谱成像系统的性能。

未来发展方向和展望

研究团队的下一个目标是进一步缩小钙钛矿像素的尺寸并增加像素密度，以实现更高的分辨率成像。目前，钙钛矿图像传感器原型像素尺寸在0.5到1毫米之间，但商用CMOS图像传感器的像素通常在微米范围内。研究人员相信，钙钛矿图像传感器具备进一步小型化的潜力，他们正在努力调整电连接和处理技术，以适应新型半导体材料。

尽管仍然存在挑战，例如优化钙钛矿图像传感器的读出电路，但该研究团队相信这些挑战是可以克服的，并对钙钛矿图像传感器的未来充满信心：它可以使消费类相机与工业机器视觉应用领域实现革命性的突破。