新型數字圖像傳感器問世

寂靜天花板

12月1日，從南開大學獲悉，日前，南開大學校友、美國阿拉巴馬大學華人教授宋金會帶領的科研團隊，成功研制出像素尺寸僅為50納米的新型圖像傳感器，大幅度突破了當前數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期刊《先進材料》（Advanced Materials，2015，27，4454-4460）中“An Ultrahigh-Resolution Digital Image Sensor with Pixel Size of 50 nm by vertical Nanorod Arrays”一文詳細介紹了這項最新研究成果。
/ E% H# v; t, u" \        超高分辨率的數字圖像傳感器對于科研探索、工業生產、人類生活、國防軍工等廣泛領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字圖像傳感器的分辨率，一直是困擾科學家們的難題。當前，數字圖像傳感器CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合器件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)的最小像素尺寸分別是1.43微米和1.12微米。由于受半導體薄膜材料物理性質與數字圖像傳感器傳統結構的限制，這樣的像素尺寸已經接近物理極限。若繼續縮小，像素將失去感光能力，不再具備有效的圖像傳感功能。

& r* n% z+ d8 r* r0 D0 r# }, s        宋金會指出，僅通過對原器件材料和構架的改進，難以突破當前數字圖像傳感器的分辨率，還需要從原理、傳感器材料與結構進行徹底革新。為此，他帶領科研團隊采用“有源元器件”原理，把光強直接轉換為放大的電信號，研發全新的三維納米半導體光電材料和三維器件結構，成功將數字圖像傳感器像素尺寸從1000納米降至50納米。
5 {/ {' T# B2 @' [3 X/ V! g4 P據宋金會介紹，他與科研團隊首先定義了一個新的數字電路基本元件，光子場效應管(PET，Photon Effect Transistor)，這一發明實現了光強傳感和放大雙重功能。在光子場效應管的基礎上，科研團隊利用現有實驗室和工業化的雙重加工技術，進一步縮小了像素平面面積的大小。此外，團隊利用材料表面活性處理，以及納米半導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速度。若采用這一新型傳感器技術，按照當前流行的全幅相機傳感器尺寸為標準，全幅傳感器將擁有高達3000多億的像素，是現在傳感器的10000倍，這意味著未來數字相機、數字攝像機將拍攝出更加清晰、細致的圖像畫面。
4 X$ x/ c# X2 {% n        接下來，宋金會與科研團隊將在這一新型數字圖像傳感器的基礎上，研究全彩色、高響應速度的超高精度數字圖像傳感器，以此推進其在光學、電子、通信等相關基礎科學與技術領域中的應用。
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        宋金會于1994年從遼寧省考入南開大學物理科學學院，1998年本科畢業并獲得理學學士學位。2002年赴美國佐治亞理工學院深造并獲得理學碩士學位，2008年獲得佐治亞理工學院材料科學與工程系工學博士學位。2011年進入美國阿拉巴馬大學任教。他長期致力于納米科技的研究與應用，獲得了多項美國專利。迄今為止撰寫5部專業書籍章節，在國際專業期刊上發表科技論文50余篇，被引用次數近8000次，h因子達34。
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