Imec představuje tenkovrstvý krátkovlnný infračervený obrazový senzor s pixelovým rozestupem menším než 2 µm

SWIR snímky pro 3 různé vzdálenosti pixelů. Nejvyšší rozlišení bylo možné zachytit s nejmenším (1,82 µm) rozestupem pixelů. / SWIR obrázky pro 3 různé rozteče pixelů. Nejvyšší rozlišení bylo možné zachytit s nejmenším (1,82 µm) rozestupem pixelů.

Tenkofóliový fotodetektor byl monoliticky integrován na zakázaný obvod Si-CMOS pro čtení dat. (Zdroj: Imec)

Imec, celosvětově vedoucí výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, představuje prototyp vysoce rozlišeného krátkovlnného infračerveného (SWIR) obrazového senzoru s rekordně malým roztečem pixelu 1,82 µm. Je založen na tenkovrstvém fotodetektoru, který je monoliticky integrován s vlastním Si-CMOS čtečkovým obvodem na zakázku. Procesní postup kompatibilní s výrobou v továrně otevírá cestu k výrobě na úrovni waferu s vysokým průtokem. Tato technologie výrazně překonává schopnosti dnešních InGaAs založených SWIR obrazových snímačů co do rozteče pixelu a rozlišení, s průlomovým potenciálem v nákladech a formátu. Nové aplikace jsou umožněny i v citlivých oblastech, jako je průmyslová vizualizace, chytrá zemědělství, automobilový průmysl, dohledové systémy, biovědy a spotřební elektronika. Imec tyto výsledky představí na konferenci IEDM 2020 v sekci 16.5.

Vzorkování v krátkovlnném infračerveném pásmu (SWIR) (s vlnovými délkami přibližně 1400 nm až přes 2000 nm) nabízí výhody oproti viditelnému (VIS) a blízkému infračervenému pásmu (NIR) pro některé aplikace. SWIR obrazové senzory mohou například vidět skrz kouř nebo mlhu, nebo dokonce skrz křemík – což je zvláště relevantní pro inspekční a průmyslové strojové vidění. Dosud jsou SWIR obrazové senzory vyráběny hybridní technologií, při níž je III-V fotodetektor (nejčastěji na bázi InGaAs) flip-chip technologií spojen s křemíkovým čtečkovým obvodem. Tyto senzory mohou být extrémně citlivé, ale technologie je poměrně drahá pro hromadnou výrobu a je omezená v počtu a velikosti pixelů – což brání jejich zavádění na trzích, kde jsou náklady, rozlišení a/nebo formát klíčové.

Imec představuje alternativní řešení, které umožňuje rekordně malý rozteč pixelu pod 2 µm díky monolitické integraci tenkovrstvového fotodetektorového zásobníku s vlastním Si-CMOS čtečkovým obvodem. Fotodetektorový zásobník implementuje tenkou absorpční vrstvu, například 5,5 nm PbS kvantové body – odpovídající maximální absorpci při vlnové délce 1400 nm. Vrcholová absorpční vlnová délka může být upravena podle velikosti nanokrystalů a je dokonce rozšiřitelná na vlnové délky přes 2000 nm. Při maximální vlnové délce SWIR dosahuje externí kvantové účinnosti (EQE) 18 % (a s dalšími vylepšeními může být zvýšena na přibližně 50 %). Fotodetektorový zásobník je monoliticky integrován s vlastním čtečkovým obvodem vyrobeným v 130nm CMOS technologii. V tomto čtečkovém obvodu bylo optimalizováno 3-transistorové pixelové schéma pro škálování velikosti pixelů v dostupném 130nm technologickém uzlu, což vede k rekordně malému rozteči 1,82 µm u prototypu SWIR senzoru.

Pawel Malinowski, programový ředitel pro tenkovrstvé senzory ve společnosti imec: „Naše kompaktní, vysoce rozlišené SWIR obrazové senzory nabízejí našim zákazníkům cestu k cenově dostupné sériové výrobě v rámci 200mm linky společnosti imec. Tyto senzory lze využít v průmyslové vizualizaci (například pro kontrolu fotovoltaických panelů), v chytré zemědělství (například pro inspekci a třídění), v automobilovém průmyslu, v dohledových systémech, v biovědách (například pro bezobjektovou zobrazovací techniku) a v mnoha dalších oblastech. Díky svému malému formátu je možné je potenciálně integrovat do malých kamer, například do chytrých telefonů nebo AR/VR brýlí – s použitím šetrných SWIR zdrojů světla. Některé z nadcházejících zajímavých vývojů zahrnují zvýšení EQE (která je již nyní na testovacích vzorcích přibližně 50 %), snížení šumu senzoru a zavedení multispektrálních polí s vlastním vzorem na míru.“

Prototyp SWIR obrazového senzoru byl vyvinut v rámci výzkumného programu imec Pixel Technology Explore. V rámci této aktivity spolupracuje imec s firmami z oblasti materiálů, výrobců obrazových senzorů, dodavateli zařízení a technologickými integrátory na vývoji dostupných inovativních a zakázkových CMOS obrazových technologií.