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在现今的图像传感器发展中,CMOS图像传感器在移动平台、低功耗应用中逐渐取代CCD图像传感器的市场份额而成为主流。由于氧化物半导体/Si异质结等Si基异质结光电二极管具有制备方法灵活、光电性能优秀、均一性好、可组成复杂结构、与CMOS工艺兼容等特点,在CMOS图像传感器未来的发展中将具有重要意义。本文通过常温磁控溅射在Si衬底上生长InGaZnO薄膜,制备得到了同时具有高量子效率和低反偏暗电流密度的IGZO/Si异质结光电二极管。由于IGZO/Si继承了大多数透明氧化物半导体/Si异质结光电二极管的非线性光电响应特性,本文基于实验数据建立了适用于IGZO/Si等透明氧化物/Si异质结光电二极管的光电流电压以及光电容电压模型,并对透明氧化物/Si异质结光电二极管的非线性光电响应特性进行了详细的分析并对其原理进行了解释。最后,通过模拟仿真的方法讨论了 IGZO/Si异质结光电二极管独特光电特性对其在有源像素传感器中应用的影响。在不同温度和气氛环境中,在Si衬底以及具有SiO2缓冲层的Si衬底上,磁控溅射生长均匀IGZO薄膜以及InSnO(ITO)顶电极,得到了 IGZO/Si异质结光电二极管。对IGZO薄膜的表征得知,IGZO薄膜为禁带宽度大于3.7eV、具有高掺杂浓度、高电子迁移率以及低电阻率、厚度为120nm的对可见光透明的非晶态IGZO半导体。在636nm单色激光照射下,25℃、200℃以及400℃制备得到的IGZO/Si异质结光电二极管均表现出良好量子效率。通过降低IGZO薄膜生长温度、使用氩氧混合气作为溅射气体以及引入SiO2缓冲层,可以将IGZO/Si异质结光电二极管的反向暗电流有效降低至(1～100)μAcm-2。室温下制备的IGZO薄膜具有良好光学和电学特性,从而IGZO/Si异质结光电二极管同时具有高量子效率和低反偏暗电流密度,并且可以通过调整工艺参数进行调节。由于使用外延工艺在Si衬底上制备,所以本文提出的IGZO/Si异质结光电二极管非常适合在CMOS图像传感器中的应用。在对IGZO/Si异质结光电二极管进行光电特性测量的过程中发现,IGZO/Si异质结光电二极管继承了透明氧化物/Si异质结光电二极管在低反偏电压下的非线性光电响应特性。IGZO/Si异质结光电二极管光电流密度在非线性光电响应区中随着反偏电压的增加而增加,并在特定反偏电压下饱和进入线性光电响应区。在非线性光电响应区,光电流密度随着入射光光强增强而增加,但是量子效率随之减小。从IGZO/Si异质结光电二极管的暗电流电压特性出发,结合发射-隧穿-复合模型测量,计算和分析了 IGZO/Si中间层界面态对暗电流电压特性的影响,得到了 IGZO/Si中间层界面态密度与电子-空穴产生复合率的关系。分析结果表明,中间层界面态的存在明显的改变了 IGZO/Si空间电荷区电压分配关系以及电子能带空间分布,从而对暗电流电压特性产生明显的影响。根据暗电流电压特性分析中求解得到的中间层特性参数,通过求解泊松方程、电流连续性方程和电子发射-隧穿势垒方程,得到了 IGZO/Si异质结光电二极管的光电流电压特性以及光电容电压特性模型。将此模型计算结果与实验数据进行对比分析,结果表明此模型可以很好的拟合IGZO/Si异质结光电二极管光电特性。具有低界面态电子迁移率、高界面态密度的中间层和IGZO一侧空间电荷区势垒阻挡光生电子通过IGZO/Si界面并在中间层形成光生电子堆积,从而增加光生电子在Si空间电荷区以及中间层的复合电流。光生电子的堆积进一步降低了 Si空间电荷区分压,使得Si空间电荷区复合电流在更高的反偏电压时开始下降,从而提高了光电流饱和电压阈值。根据本文提出的模型对中间层界面态密度、中间层界面态迁移率、中间层固定电荷密度、Si衬底和透明氧化物薄膜的掺杂浓度、中间层电子复合截面、透明氧化物薄膜电子亲和能对光电特性的影响进行了详细的分析。结果表明通过改变以上参数,可有效调节透明氧化物/Si异质结光电二极管的非线性光电响应特性以及电容电压特性。将IGZO/Si异质结光电二极管应用到有源像素传感器中,对其动态范围、有效工作电压范围、信号噪声等性能进行综合分析。与应用传统Si光电二极管的有源像素传感器相比,由于IGZO/Si异质结光电二极管在高、低反偏电压情况下分别具有线性光电响应和非线性光电响应特性,使得IGZO/Si异质结光电二极管构成的有源像素传感器具有高动态范围、低信号噪声、低等效入射光噪声的优良特性。对不同制备条件制备得到的IGZO/Si异质结光电二极管在有源像素传感器中的应用进行研究。在常温下制备的IGZO/Si异质结光电二极管,在较强和较弱入射光密度情况下分别具有适宜的光电转换增益,并且在较低电压下工作时保持较大的动态范围,非常适合在有源像素传感器中应用。