Imec presenta un sensore di immagine a infrarossi a onde corte a strato sottile con passo pixel inferiore a 2 µm

Immagini SWIR per 3 diverse distanze tra pixel. Le immagini con la risoluzione più alta sono state acquisite con la distanza tra pixel più piccola (1,82 µm). / SWIR images for 3 different pixel pitches. Highest resolution images could be captured with the smallest (1.82 µm) pixel pitch.

Il rivelatore fotodetettore a film sottile è stato integrato monoliticamente su un circuito di lettura Si-CMOS personalizzato. (Fonte: Imec)

Imec, un centro mondiale leader nella ricerca e innovazione per la nanoelettronica e le tecnologie digitali, presenta il prototipo di un sensore di immagine a infrarossi a onde corte (SWIR) ad alta risoluzione con una distanza tra pixel record di 1,82 µm. Si basa su un fotodetector a film sottile, integrato monoliticamente su un circuito di lettura Si-CMOS personalizzato. Un processo compatibile con le fasi di produzione permette di aprire la strada a una produzione a livello di wafer ad alta resa.

La tecnologia presentata supera di gran lunga le capacità degli attuali imagers SWIR basati su InGaAs in termini di distanza tra pixel e risoluzione, con un potenziale rivoluzionario in termini di costi e formato. Nuove applicazioni diventano possibili anche in settori sensibili ai costi, come l'elaborazione delle immagini industriale, l'agricoltura intelligente, l'industria automobilistica, la sorveglianza, le scienze della vita e l'elettronica di consumo. Imec presenterà questi risultati alla conferenza IEDM 2020 nella sessione 16.5.

La scansione nel campo dell'infrarosso a onde corte (SWIR) (con lunghezze d'onda di circa 1400 nm fino oltre 2000 nm) offre vantaggi per alcune applicazioni rispetto al visibile (VIS) e all'infrarosso vicino (NIR). I sensori di immagine SWIR possono, ad esempio, vedere attraverso fumo, nebbia o anche il silicio stesso — il che è particolarmente rilevante per applicazioni di ispezione e visione artificiale industriale. Finora, i sensori SWIR sono prodotti tramite una tecnologia ibrida, in cui un fotodetector a base III-V (spesso su InGaAs) è flip-chip-bondato a un circuito di lettura in silicio. Questi sensori possono essere resi estremamente sensibili, ma la tecnologia è abbastanza costosa per la produzione di massa e limitata nelle dimensioni dei pixel e nel numero di pixel — ostacolando il loro impiego in mercati dove costi, risoluzione e/o formato sono decisivi.

Imec presenta una soluzione alternativa, che tramite integrazione monolitica di uno stack di fotodetettori a film sottile con un circuito di lettura Si-CMOS permette una distanza tra pixel record di meno di 2 µm. Lo stack di pixel del fotodetettore implementa uno strato assorbitore sottile come, ad esempio, punti quantici PbS da 5,5 nm — corrispondente a un picco di assorbimento a 1400 nm di lunghezza d'onda. La lunghezza d'onda di assorbimento di picco può essere regolata tramite l'adattamento delle dimensioni dei nanocristalli ed è addirittura estendibile a lunghezze d'onda superiori a 2000 nm. Alla massima lunghezza d'onda SWIR, si raggiunge un'efficienza quantica esterna (EQE) del 18% (che può essere aumentata fino al 50% con ulteriori miglioramenti). Lo stack di fotodetettori è integrato monoliticamente con un circuito di lettura personalizzato, realizzato con tecnologia CMOS a 130 nm. In questo circuito di lettura, il design del pixel a 3 transistor, ottimizzato per la scalabilità delle dimensioni dei pixel nel nodo tecnologico a 130 nm, porta a una distanza tra pixel record di 1,82 µm per il prototipo dell'imager SWIR.

Pawel Malinowski, responsabile del programma di imaging a film sottile presso imec: "Con la nostra tecnologia compatta e ad alta risoluzione per sensori SWIR, offriamo ai nostri clienti un modo per la produzione di piccole serie accessibile all’interno del sistema di produzione da 200 mm di imec. Questi sensori di immagine possono essere utilizzati nell'elaborazione delle immagini industriale (ad esempio, per il controllo di pannelli fotovoltaici), nell'agricoltura intelligente (ad esempio, per ispezione e smistamento), nell'industria automobilistica, nella sorveglianza, nelle scienze della vita (ad esempio, per imaging senza lenti) e in molti altri settori. Grazie alle loro dimensioni compatte, possono essere potenzialmente integrati in piccole fotocamere, come in smartphone o occhiali AR/VR — con fonti di luce SWIR a bassa intensità. Alcuni sviluppi futuri interessanti includono l’aumento dell’EQE (attualmente già al 50% sui campioni di test SWIR), la riduzione del rumore del sensore e l’introduzione di array multispettrali con approccio di patterning personalizzato."

Il prototipo del sensore di immagine SWIR è stato sviluppato nell’ambito del programma di ricerca di imec Pixel Technology Explore. Nell’ambito di questa attività, imec collabora con aziende di materiali, aziende di sensori di immagine, fornitori di attrezzature e integratori tecnologici per sviluppare tecnologie CMOS innovative e personalizzate accessibili.