Imec bemutatja a vékonyrétegű rövidhullámú infravörös képérzékelőt, amelynek pixelközötti mérete kevesebb, mint 2 µm

SWIR-képek 3 különböző pixelközökkel. A legnagyobb felbontású képek a legkisebb (1,82 µm) pixelközökkel készültek. / SWIR képek 3 különböző pixelközökkel. A legmagasabb felbontású képeket a legkisebb (1,82 µm) pixelközökkel lehetett rögzíteni.

A vékonyfilm-fotodetektor monolitikusan integrálva volt egy egyedi Si-CMOS olvasóráccsal. (Kép forrása: Imec) / The thin-film photodetector was monolithically integrated on a custom Si-CMOS readout circuit. (Source: Imec)

Az imec, egy világszerte vezető kutatási és innovációs központ a nanoelektronikában és digitális technológiákban, bemutatja egy nagyfelbontású rövidhullámú infravörös (SWIR) képérzékelő prototípusát, rekordkicsi pixelközökkel, mindössze 1,82 µm-es pixelközökkel. Ez egy vékonyfilm-fotodetektorra alapul, amely monolitikusan integrálva van egy egyedi Si-CMOS olvasó áramkörrel. Egy gyárbarát gyártási folyamat lehetővé teszi a magas átviteli sebességű wafer-szintű gyártást. A bemutatott technológia messze felülmúlja a mai InGaAs-alapú SWIR képalkotók képességeit pixelközökkel és felbontással, áttörő költség- és méretfaktor potenciállal. Új alkalmazások válhatnak lehetővé még költségtudatos területeken is, mint például az ipari képalkotás, az okos mezőgazdaság, az autóipar, a megfigyelőipar, a biotudományok és a szórakoztató elektronika. Az imec ezeket az eredményeket a 2020-as IEDM konferencián, a 16.5 szekcióban fogja bemutatni.

A rövidhullámú infravörös tartományban (SWIR) történő mintavételezés (körülbelül 1400 nm-től több mint 2000 nm-ig terjedő hullámhosszakkal) számos alkalmazásban előnyökkel jár a látható (VIS) és a közeli infravörös (NIR) tartományhoz képest. A SWIR-képérzékelők például képesek füstön vagy ködön keresztül, vagy akár szilíciumon keresztül is látni – ez különösen releváns az ellenőrzési és ipari gépi látás alkalmazásokban. Eddig a SWIR-képérzékelőket hibrid technológiával gyártották, ahol egy III-V alapú fotodetektor (leggyakrabban InGaAs-alapú) flip-chip kötött szilíciumos olvasó áramkörrel. Ezek az érzékelők rendkívül érzékennyé tehetők, de a technológia meglehetősen drága a tömeggyártásban, és korlátozott a pixelméret és a pixel-szám, ami akadályozza azok bevezetését olyan piacokon, ahol a költség, a felbontás és/vagy a méretfaktor döntő fontosságú.

Az imec bemutat egy alternatív megoldást, amely monolitikus integrációval egy vékonyfilm-fotodetektor-tömböt és egy Si-CMOS olvasó áramkört alkalmazva rekordkicsi pixelközöket, 2 µm alatt, tesz lehetővé. A fotodetektor-pixel tömb egy vékony abszorpciós réteget tartalmaz, például 5,5 nm-es PbS kvantumpontokat, amelyek a 1400 nm-es hullámhossznál maximális abszorpciót eredményeznek. A maximális abszorpciós hullámhossz a nanokristály méretének módosításával hangolható, és akár 2000 nm feletti hullámhosszokra is kiterjeszthető. A SWIR maximális hullámhossznál az externális kvantumefficiencia (EQE) eléri a 18%-ot (és további fejlesztésekkel akár 50%-ra növelhető). A fotodetektor-tömb monolitikusan integrálva van egy egyedi olvasó áramkörrel, amely 130 nm-es CMOS technológiában készült. Ebben az olvasó áramkörben a 3-transzisztoros pixel kialakítást optimalizálták a pixelméret skálázásához, elérhető 130 nm-es technológiai csomóponton, ami rekordkicsi, 1,82 µm-es pitchhez vezet a SWIR-érzékelő prototípusánál.

Pawel Malinowski, az imec vékonyfilm-érzékelő programvezetője: „Kompakt, nagyfelbontású SWIR-képérzékelő technológiánkkal lehetőséget kínálunk ügyfeleinknek arra, hogy megfizethető kis sorozatgyártást valósítsanak meg az imec 200 mm-es létesítményében. Ezek a képérzékelők ipari képalkotásban (például fotovoltaikus panelek ellenőrzésére), okos mezőgazdaságban (például ellenőrzés és válogatás), az autóiparban, megfigyelésben, a biotudományokban (például lencsék nélküli képalkotásban) és sok más területen alkalmazhatók. Kis méretük miatt potenciálisan beépíthetők kis kamerákba, például okostelefonokba vagy AR/VR szemüvegekbe – szemkímélő SWIR-fényforrásokkal. Néhány izgalmas jövőbeli fejlesztés közé tartozik az EQE növelése (amely jelenleg már eléri az 50%-ot SWIR-en tesztmintákon), a szenzorzaj csökkentése és multispektrális tömbök bevezetése egyedi mintázási megközelítéssel."

A SWIR-képérzékelő prototípusát az imec Pixel Technology Explore kutatási program keretében fejlesztették ki. Ennek az aktivitásnak részeként az imec együttműködik anyaggyártó cégekkel, képérzékelő gyártókkal, berendezés- és technológiai integrátorokkal, hogy elérhető, innovatív és egyedi CMOS-képtechnológiákat fejlesszenek ki.