Imec présente un capteur d'image infrarouge à ondes courtes en couche mince avec une taille de pixel inférieure à 2 µm

Images SWIR pour 3 distances de pixels différentes. Les images à la résolution la plus élevée ont pu être capturées avec la plus petite distance de pixel (1,82 µm). / Images SWIR pour 3 différentes distances de pixels. Les images à la résolution la plus élevée ont pu être capturées avec la plus petite distance de pixel (1,82 µm).

Le détecteur photo à film mince a été intégré monolithiquement sur un circuit de lecture en Si-CMOS personnalisé. (Crédit image : Imec) / The thin-film photodetector was monolithically integrated on a custom Si-CMOS readout circuit. (Source: Imec)

Imec, un centre de recherche et d'innovation mondialement reconnu pour la nanoélectronique et les technologies numériques, présente le prototype d'un capteur d'image infrarouge à ondes courtes (SWIR) à haute résolution avec un espacement de pixels record de 1,82 µm. Il repose sur un photodétecteur à film mince, monolithiquement intégré à un circuit de lecture Si-CMOS personnalisé. Un processus compatible avec la fabrication en usine ouvre la voie à une production à l’échelle de plaquettes avec un débit élevé. La technologie présentée dépasse largement les capacités des imageries SWIR à base d’InGaAs actuelles en termes d’espacement de pixels et de résolution, avec un potentiel révolutionnaire en termes de coûts et de format. De nouvelles applications deviennent possibles même dans des secteurs sensibles aux coûts, tels que le traitement d’image industriel, l’agriculture intelligente, l’industrie automobile, la surveillance, les sciences de la vie et l’électronique grand public. Imec présentera ces résultats lors de la conférence IEDM 2020 dans la session 16.5.

La détection dans la gamme infrarouge à ondes courtes (SWIR) (avec des longueurs d’onde d’environ 1400 nm à plus de 2000 nm) offre des avantages pour certaines applications par rapport au visible (VIS) et à l’infrarouge proche (NIR). Les capteurs d’image SWIR peuvent par exemple voir à travers la fumée, le brouillard ou même le silicium — ce qui est particulièrement pertinent pour les applications d’inspection et de vision industrielle automatique. Jusqu’à présent, les capteurs d’image SWIR sont fabriqués par une technologie hybride, où un détecteur photodétecteur basé sur des matériaux III-V (souvent à base d’InGaAs) est flip-chip-bondé à un circuit de lecture en silicium. Ces capteurs peuvent être rendus extrêmement sensibles, mais la technologie est assez coûteuse pour la production de masse et limitée en taille de pixel et en nombre de pixels — ce qui freine leur introduction sur des marchés où le coût, la résolution et/ou le format sont cruciaux.

Imec propose une solution alternative, permettant grâce à l’intégration monolithique d’une pile de photodétecteurs à film mince avec un circuit de lecture Si-CMOS une distance entre pixels record de moins de 2 µm. La pile de pixels du photodétecteur implémente une fine couche absorbante, comme par exemple des points quantiques PbS de 5,5 nm — correspondant à une absorption maximale à une longueur d’onde de 1400 nm. La longueur d’onde d’absorption maximale peut être ajustée en modifiant la taille des nanocristaux et peut même être étendue à des longueurs d’onde supérieures à 2000 nm. À la longueur d’onde maximale du SWIR, une efficacité quantique externe (EQE) de 18 % est atteinte (pouvant être améliorée à environ 50 % avec d’autres optimisations). La pile de photodétecteurs est monolithiquement intégrée à un circuit de lecture personnalisé fabriqué en technologie CMOS 130 nm. Dans ce circuit de lecture, le design à 3 transistors par pixel a été optimisé pour la scalabilité de la taille des pixels dans le processus de fabrication CMOS 130 nm, ce qui a permis d’obtenir un pas de pixel record de 1,82 µm pour le prototype de l’imagerie SWIR.

Pawel Malinowski, responsable du programme d’imagerie à film mince chez imec : « Avec notre technologie compacte et à haute résolution pour capteurs d’image SWIR, nous offrons à nos clients une voie vers une fabrication en petites séries abordable dans l’usine de 200 mm d’imec. Ces capteurs d’image peuvent être utilisés dans le traitement d’image industriel (par exemple, pour le contrôle de panneaux photovoltaïques), dans l’agriculture intelligente (par exemple, pour l’inspection et le tri), dans l’automobile, la surveillance, les sciences de la vie (par exemple, pour l’imagerie sans lentilles) et bien d’autres domaines. En raison de leur petit format, ils peuvent potentiellement être intégrés dans de petites caméras, comme dans les smartphones ou les lunettes AR/VR — avec des sources lumineuses SWIR agréables pour les yeux. Parmi les développements futurs passionnants figurent l’augmentation de l’EQE (qui est déjà d’environ 50 % sur des échantillons de test dans le SWIR), la réduction du bruit du capteur et l’introduction de matrices multispectrales avec une approche de masquage personnalisée.»

Le prototype du capteur d’image SWIR a été développé dans le cadre du programme de recherche Pixel Technology Explore d’imec. Dans le cadre de cette activité, imec collabore avec des entreprises de matériaux, des fabricants de capteurs d’image, des fournisseurs d’équipements et des intégrateurs technologiques pour développer des technologies CMOS innovantes et personnalisées accessibles.