日本茨城大學研究團隊開發出一款可在近紅外光至短波紅外光(SWIR)區域運作之紅外線影像感測器。此元件採用低成本且易取得的材料,並結合泛用製程技術,能在最長波長達2.1 μm範圍內展現明確的光響應,預期可應用於自動駕駛、非破壞檢測等領域。短波紅外光(約0.9~2.5 μm)感測技術在低照度的夜間或煙霧環境下的視覺辨識,以及生物辨識、非侵入式生醫感測、農產品與工業製品的非破壞檢測、車載LiDAR等應用中具有高度潛力,也被視為實現物理AI(Physical AI)3D形貌量測的重要關鍵。然而,現行技術多仰賴昂貴的化合物半導體基板與高階成膜製程,以致成為普及化的主要障礙。
茨城大学過去已成功開發直徑50 mm(2吋)的高品質矽化鎂(Mg₂Si)單晶基板,並透過熱擴散製程形成pn接面光電二極體。透過採用常壓融液成長法進行結晶生長、使用低成本的矽與鎂原料,以及導入泛用擴散製程製作pn接面,進而建立了低成本紅外感測器的製造基礎。在此次研究中,茨城大學結合泛用光微影技術與熱擴散製程,在Mg₂Si基板上製作出32畫素的線性光電二極體陣列感測器。該元件之單一畫素尺寸為50 μm × 50 μm,畫素間距為80 μm,並在1.2 μm處具有感度峰值,且對最長2.1 μm波長仍具清晰的光響應。
在感測訊號讀取方面,研究團隊利用自製的轉阻放大器型(Transimpedance Amplifier)矽基I/V轉換電路,將各畫素輸出轉換為電訊號。影像取得則透過讓波長1.31 μm的紅外光穿透圖案薄膜,並將感測器進行平移掃描,成功重建出32 × 32畫素影像。實驗結果顯示,感測器可清晰辨識CZP解析度測試圖的一部分以及「茨」字樣,證明其具備實用影像辨識能力。今後研究團隊將以此成果為基礎,進一步推進二維光電二極體陣列感測器的開發,以及高畫素化與微細化技術研究。