薄膜光電探測器與CMOS讀出電路的單片集成為高產(chǎn)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(yōu)勢

近日，世界領先的納米電子和數(shù)字技術研究與創(chuàng)新中心Imec展示了一款高分辨率短波紅外（SWIR）圖像傳感器產(chǎn)品原型，實現(xiàn)了創(chuàng)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(chǎn)量晶圓級生產(chǎn)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(yè)機器視覺、智能農(nóng)業(yè)、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(yōu)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(yè)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(chǎn)完成，其中將基于III-V的光電探測器（通?；贗nGaAs）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(chǎn)而言是非常昂貴的，并且像素大小和像素數(shù)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(xiàn)小于2μm的小像素間距。光電探測器像素疊層實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(jié)點對3晶體管像素設計進行了優(yōu)化，從而為這款SWIR圖像傳感器產(chǎn)品原型實現(xiàn)了創(chuàng)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(jīng)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(nèi)進行經(jīng)濟實惠的小批量生產(chǎn)的途徑。這些SWIR圖像傳感器可以部署在工業(yè)機器視覺（例如光伏面板監(jiān)控）、智能農(nóng)業(yè)（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(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）眼鏡。令人興奮的未來發(fā)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(chǎn)品原型是在Imec的“Pixel Technology Explore”研究計劃中開發(fā)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(fā)產(chǎn)業(yè)界可用的創(chuàng)新和定制CMOS成像技術。