薄膜光電探測器與CMOS讀出電路的單片集成為高產量的晶圓級制造提供了一條途徑。
Imec推出高分辨率短波紅外（SWIR）圖像傳感器，具有小像素和低成本等優勢
近日，世界領先的納米電子和數字技術研究與創新中心Imec展示了一款高分辨率短波紅外（SWIR）圖像傳感器產品原型，實現了創記錄的小像素間距：1.82 μm。這款SWIR圖像傳感器基于一顆單片集成在定制Si-CMOS讀出電路上的薄膜光電探測器。兼容CMOS晶圓制造廠的工藝流程為高產量晶圓級生產鋪平了道路。Imec所展示的技術在像素間距和分辨率方面大大超過了當今基于InGaAs的SWIR圖像傳感器的性能指標，具有顛覆性的成本和外形尺寸。即使在對成本敏感的領域也可以“勝任”，典型應用包括工業機器視覺、智能農業、汽車、安防、生命科學和消費電子領域。Imec將在第16屆2020 IEEE國際電子器件會議（IEDM）上介紹上述成果。
Imec展示了3種不同像素間距的SWIR圖像，可以采用最小的像素間距（1.82μm）捕獲最高分辨率的圖像。
在某些應用中，短波紅外（SWIR）范圍（波長從1400nm到2000nm以上）的傳感技術比可見（VIS）和近紅外（NIR）范圍具有更大優勢。例如，SWIR圖像傳感器可以透視煙霧或霧氣，甚至可以透視硅材料，這對于工業檢查和機器視覺應用尤其重要。迄今為止，SWIR圖像傳感器是通過混合技術生產完成，其中將基于III-V的光電探測器（通常基于InGaAs）倒裝芯片方式連接至硅基讀出電路。雖然這種SWIR圖像傳感器非常靈敏，但是該技術對于批量生產而言是非常昂貴的，并且像素大小和像素數量受到限制——阻礙了其在對成本、分辨率和/或外形尺寸非常敏感的市場中的應用。
硅基可見光/近紅外攝像頭 vs. 基于III-V的短波紅外攝像頭
Imec采用了另一種SWIR圖像傳感器解決方案，該解決方案將薄膜光電探測器與Si-CMOS讀出電路單片集成，實現小于2μm的小像素間距。光電探測器像素疊層實現了薄吸收層，例如5.5nm PbS量子點——對應于1400nm波長的峰值吸收。峰值吸收波長可以通過調節納米晶體的尺寸來控制，并可以擴展到超過2000nm的波長。在SWIR峰值波長處，可獲得18%的外部量子效率（EQE）（能夠進一步提高到50%）。薄膜光電探測器與以130nm CMOS技術制造的定制讀出電路進行單片集成。在此讀出電路中，基于130nm技術節點對3晶體管像素設計進行了優化，從而為這款SWIR圖像傳感器產品原型實現了創記錄的1.82μm小間距。
薄膜光電探測器機遇（CIS vs. TFPD vs. III-V / II-VI / hybrid）
Imec基于薄膜光電探測器的SWIR圖像傳感器技術基礎
Imec薄膜圖像傳感器項目經理Pawel Malinowski表示：“憑借我們的緊湊型高分辨率SWIR圖像傳感器技術，可以為客戶提供在Imec的200毫米晶圓制造廠內進行經濟實惠的小批量生產的途徑。這些SWIR圖像傳感器可以部署在工業機器視覺（例如光伏面板監控）、智能農業（例如檢查和分類）、汽車、安防、生命科學（例如無透鏡成像）等應用領域。由于傳感器的外形小巧，可以通過人眼安全的SWIR光源集成到小型相機之中，例如智能手機和增強現實/虛擬現實（AR/VR）眼鏡。令人興奮的未來發展包括EQE的提高（目前在測試樣品的SWIR已達到50%），降低傳感器噪聲以及采用定制像素方法引入多光譜陣列。
SWIR圖像傳感器產品原型是在Imec的“Pixel Technology Explore”研究計劃中開發的。在這項計劃中，Imec與材料供應商、圖像傳感器設計公司、設備供應商和技術集成商展開合作，開發產業界可用的創新和定制CMOS成像技術。
