Imec presenta sensor de imagen de infrarrojos de onda corta de capa delgada con píxel de menos de 2 µm de paso

Imágenes SWIR para 3 diferentes distancias entre píxeles. Las imágenes de mayor resolución se pudieron capturar con la menor distancia entre píxeles (1,82 µm). / Imágenes SWIR para 3 diferentes pasos de píxel. Las imágenes de mayor resolución pudieron capturarse con el paso de píxel más pequeño (1,82 µm).

El fotodetector de película delgada fue integrado monolíticamente en un circuito de lectura Si-CMOS personalizado. (Fuente: Imec)

Imec, un centro de investigación e innovación líder en el mundo en nanoelectrónica y tecnologías digitales, presenta el prototipo de un sensor de imagen de infrarrojo de onda corta (SWIR) de alta resolución con una distancia entre píxeles récord de 1,82 µm. Está basado en un fotodetector de película delgada, que está integrado monolíticamente en un circuito de lectura Si-CMOS personalizado. Un proceso compatible con la fabricación allana el camino hacia una producción a nivel de oblea con alto rendimiento.

La tecnología presentada supera con creces las capacidades de los imageres SWIR basados en InGaAs actuales en cuanto a distancia entre píxeles y resolución, con un potencial revolucionario en costos y tamaño. Se posibilitan nuevas aplicaciones incluso en áreas sensibles a los costos, como la visión industrial, la agricultura inteligente, la industria automotriz, la vigilancia, las ciencias de la vida y la electrónica de consumo. Imec presentará estos resultados en la Conferencia IEDM 2020 en la sesión 16.5.

La adquisición en el rango de infrarrojo de onda corta (SWIR) (con longitudes de onda de aproximadamente 1400 nm a más de 2000 nm) ofrece ventajas para algunas aplicaciones en comparación con el visible (VIS) y el infrarrojo cercano (NIR). Los sensores de imagen SWIR pueden, por ejemplo, ver a través del humo, la niebla o incluso del silicio, lo cual es especialmente relevante para aplicaciones de inspección y visión artificial industrial. Hasta ahora, los sensores de imagen SWIR se fabrican mediante una tecnología híbrida, en la que un fotodetector basado en III-V (generalmente en InGaAs) se une mediante flip-chip a un circuito de lectura de silicio. Estos sensores pueden hacerse extremadamente sensibles, pero la tecnología es bastante costosa para la producción en masa y limitada en tamaño de píxel y cantidad de píxeles, lo que dificulta su introducción en mercados donde el costo, la resolución y/o el tamaño son críticos.

Imec presenta una solución alternativa que, mediante la integración monolítica de un montón de detectores de película delgada con un circuito de lectura Si-CMOS, permite una distancia entre píxeles récord de menos de 2 µm. La pila de píxeles del detector implementa una capa delgada de absorción, como por ejemplo, puntos cuánticos de PbS de 5,5 nm, que corresponden a una absorción máxima en una longitud de onda de 1400 nm. La longitud de onda de absorción máxima puede ajustarse modificando el tamaño de los nanocristales y se puede ampliar incluso a longitudes de onda superiores a 2000 nm. En la longitud de onda máxima de SWIR, se alcanza una eficiencia cuántica externa (EQE) del 18 % (que puede mejorarse hacia el 50 % con mejoras adicionales). La pila del detector de imagen está integrada monolíticamente con un circuito de lectura personalizado fabricado en tecnología CMOS de 130 nm. En este circuito de lectura, se optimizó el diseño de píxel de 3 transistores para escalar el tamaño de los píxeles en el proceso tecnológico de 130 nm, logrando una distancia entre píxeles récord de 1,82 µm para el prototipo del imager SWIR.

Pawel Malinowski, director del programa de imágenes de película delgada en imec: "Con nuestra tecnología compacta y de alta resolución para sensores de imagen SWIR, ofrecemos a nuestros clientes una vía para la producción en pequeña serie asequible dentro de la planta de 200 mm de imec. Estos sensores de imagen pueden utilizarse en visión industrial (por ejemplo, para el control de paneles fotovoltaicos), en agricultura inteligente (por ejemplo, para inspección y clasificación), en la fabricación de automóviles, en vigilancia, en ciencias de la vida (por ejemplo, para imágenes sin lentes) y en muchas otras áreas. Debido a su pequeño tamaño, potencialmente pueden integrarse en cámaras pequeñas, como en teléfonos inteligentes o gafas AR/VR, con fuentes de luz SWIR amigables para los ojos. Algunos de los desarrollos futuros emocionantes incluyen aumentar la EQE (que ya alcanza el 50 % en muestras de prueba en SWIR), reducir el ruido del sensor y la introducción de matrices multiespectrales con un patrón personalizado."

El prototipo del sensor de imagen SWIR fue desarrollado en el marco del programa de investigación Pixel Technology Explore de imec. En el marco de esta actividad, imec colabora con empresas de materiales, fabricantes de sensores de imagen, proveedores de equipos e integradores de tecnología para desarrollar tecnologías CMOS innovadoras y personalizadas accesibles.