據(jù)外媒報(bào)道,比利時(shí)歐洲微電子中心(Imec)的研究人員研發(fā)了一款高分辨率短波紅外線(SWIR)圖像傳感器原型,像素間距小至1.82 μm,刷新記錄。
該款傳感器基于一個(gè)薄膜光電探測(cè)器打造,而該光電探測(cè)器單片集成于定制化硅-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Si-CMOS)讀出電路上。研究人員采用了可與晶圓廠兼容的工藝流程,為大規(guī)模生產(chǎn)晶圓級(jí)傳感器鋪平了道路。此次研發(fā)的技術(shù)在像素間距和分辨率方面都大大超越了現(xiàn)有的銦鎵砷(InGaAs)SWIR圖像傳感器,而且具有很大的成本和尺寸優(yōu)勢(shì),甚至可以應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器視覺(jué)、智能基礎(chǔ)設(shè)施、汽車、監(jiān)控、生命科學(xué)和消費(fèi)電子產(chǎn)品等對(duì)成本要求比較高的新應(yīng)用。
在某些應(yīng)用中,短波紅外線(SWIR)波長(zhǎng)范圍(1400納米至2000納米以上)內(nèi)的傳感性能比可見(jiàn)光(VIS)和近紅外波長(zhǎng)內(nèi)的傳感性能更具優(yōu)勢(shì)。例如,SWIR圖像傳感器能夠穿透煙或霧,甚至穿透硅,而硅與檢查和工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用息息相關(guān)。截至目前,人們一直采用一種混合技術(shù)制造SWIR圖像傳感器,將基于III-V的光電探測(cè)器(通?;贗nGaAs制造)反轉(zhuǎn)連接到硅讀出電路。此類傳感器具有高靈敏性,但是大規(guī)模生產(chǎn)該項(xiàng)技術(shù)十分昂貴,而且在像素的尺寸和數(shù)量上具有局限性,也阻礙其在看重成本、分辨率以及/或尺寸的市場(chǎng)中得到采用。
IMEC提出了一種替代性解決方案,通過(guò)將薄膜光電探測(cè)器堆棧單片集成于Si-CMOS讀出電路上,制成了具有小至1.82 μm、創(chuàng)紀(jì)錄像素間距的圖像傳感器。與1400納米波長(zhǎng)的峰值吸收層相對(duì)應(yīng),該款光電探測(cè)器像素堆棧實(shí)現(xiàn)了一個(gè)薄薄的吸收層,如5.5納米PbS量子點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)納米晶體的尺寸可以調(diào)節(jié)峰值吸收波長(zhǎng),并可將波長(zhǎng)擴(kuò)展至2000納米以上。在SWIR峰值波長(zhǎng)處,可實(shí)現(xiàn)18%的外量子效率(EQE)(并可進(jìn)一步提高到50%)。其中,光電探測(cè)器單片集成至一個(gè)定制的讀出電路,采用130納米CMOS技術(shù)進(jìn)行處理。在該讀出電路中,采用三像素設(shè)計(jì)優(yōu)化法以在130納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)縮放像素尺寸,最終讓該SWIR圖像傳感器原型的像素小至創(chuàng)紀(jì)錄的1.82 μm。
IMEC薄膜圖像傳感器項(xiàng)目主管Pawel Malinowski表示: “利用此次研發(fā)的緊湊高分辨率SWIR圖像傳感器技術(shù),我們?yōu)榭蛻籼峁┝艘粭l能夠在IMCE的200毫米設(shè)備中實(shí)現(xiàn)廉價(jià)低量生產(chǎn)的途徑。此類圖像傳感器可應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器視覺(jué)(如光伏太陽(yáng)能電板監(jiān)測(cè))、智能農(nóng)業(yè)(如檢查和分類)、汽車、監(jiān)控、生命科學(xué)(如無(wú)透鏡成像)等領(lǐng)域。由于此類傳感器尺寸小,因而可集成至智能手機(jī)或AR/VR眼鏡等小型攝像頭中,而且還配備了對(duì)人眼安全的SWIR光源。未來(lái),該技術(shù)還可能獲得一些令人興奮的發(fā)展,如提升EQE(目前測(cè)試樣品在SWIR中的效率已達(dá)50%)、降低傳感器噪音、引入具有定制化模式方法的多光譜陣列等?!?/P>
該款SWIR圖像傳感器原型由IMEC的像素技術(shù)探測(cè)(Pixel Technology Explore)研究項(xiàng)目研發(fā),在此次項(xiàng)目中,IMEC與材料公司、圖像傳感器公司、設(shè)備供應(yīng)商和技術(shù)集成商合作,研發(fā)了實(shí)用的創(chuàng)新定制化CMOS成像技術(shù)。