Imec presenteert dunne laag korte golf infrarood beeldsensor met sub-2-µm pixelpitch

SWIR-beelden voor 3 verschillende pixelafstanden. De beelden met de hoogste resolutie konden worden genomen met de kleinste (1,82 µm) pixelafstand. / SWIR-beelden voor 3 verschillende pixelafstanden. Beelden met de hoogste resolutie konden worden vastgelegd met de kleinste (1,82 µm) pixelafstand.

De dunnefilm-beelddetector werd monolithisch geïntegreerd op een aangepaste Si-CMOS-leeskring. (Bron: Imec)

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, presenteert het prototype van een high-resolution korte-wavelength infrarood (SWIR)-beeldsensor met een record-hoog pixelpitch van 1,82 µm. Het is gebaseerd op een dunfilm-beelddetector die monolithisch geïntegreerd is op een op maat gemaakte Si-CMOS-leeskoppeling. Een fab-compatibele processtap maakt wafer-level fabricage met hoge doorvoer mogelijk. De gepresenteerde technologie overtreft de capaciteiten van huidige InGaAs-gebaseerde SWIR-beeldvormers ruimschoots op het gebied van pixelpitch en resolutie, met een baanbrekend kosten- en formaatpotentieel. Nieuwe toepassingen worden zelfs in kostengevoelige sectoren mogelijk, zoals industriële beeldverwerking, slimme landbouw, de automobielindustrie, bewaking, biowetenschappen en consumentenelektronica. Imec zal deze resultaten presenteren op de IEDM Conference 2020 in sessie 16.5.

De sampling in het korte-wavelength infraroodgebied (SWIR) (met golflengten van ongeveer 1400 nm tot meer dan 2000 nm) biedt voordelen ten opzichte van het zichtbare (VIS) en nabij-infraroodgebied (NIR) voor bepaalde toepassingen. SWIR-beeldsensoren kunnen bijvoorbeeld door rook of mist of zelfs door silicium heen kijken - wat vooral relevant is voor inspectie- en industriële machine-visie toepassingen. Tot nu toe worden SWIR-beeldsensoren vervaardigd door een hybride technologie waarbij een III-V-beelddetector (meestal op basis van InGaAs) met een silicium-leeskoppeling wordt flip-chip-bonded. Deze sensoren kunnen extreem gevoelig worden gemaakt, maar de technologie is vrij duur voor massaproductie en beperkt in de grootte van de pixels en het aantal pixels - wat hun introductie op markten belemmert waar kosten, resolutie en/of formaat cruciaal zijn.

Imec presenteert een alternatieve oplossing, die door monolithische integratie van een dunfilmdetectorstapel met een Si-CMOS-leeskoppeling een record-hoog pixelpitch van minder dan 2 µm mogelijk maakt. De detectorstapel implementeert een dunne absorberschicht zoals bijvoorbeeld 5,5 nm PbS-quantumpunten - wat overeenkomt met een piekabsorptie bij een golflengte van 1400 nm. De piekabsorptiegolflengte kan worden afgestemd door de nanokristalgrootte aan te passen en is zelfs uitbreidbaar naar golflengten boven 2000 nm. Bij de maximale SWIR-golflengte wordt een externe kwantumrendement (EQE) van 18 % bereikt (en kan worden verhoogd richting 50 % met verdere verbeteringen). De detectorstapel is monolithisch geïntegreerd met een op maat gemaakte leeskoppeling die vervaardigd is in 130-nm CMOS-technologie. In deze leeskoppeling is het 3-transistor pixelontwerp geoptimaliseerd voor het schalen van de pixelgrootte binnen de toegankelijke 130-nm-technologieknoop, wat leidt tot een record-hoog pitch van 1,82 µm voor het prototype van de SWIR-beeldvormer.

Pawel Malinowski, programmaleider dunfilmmager bij imec: "Met onze compacte, high-resolution SWIR-beeldsensor technologie bieden wij onze klanten een weg naar betaalbare kleine-serie productie binnen de 200-mm-fabriek van imec. Deze beeldsensoren kunnen worden ingezet in industriële beeldverwerking (bijvoorbeeld voor de controle van zonnepanelen), in slimme landbouw (bijvoorbeeld voor inspectie en sortering), in de autosector, bij bewaking, in de biowetenschappen (bijvoorbeeld voor lensloze beeldvorming) en in vele andere gebieden. Vanwege hun kleine formaat kunnen ze mogelijk worden geïntegreerd in kleine camera's, zoals in smartphones of AR/VR-brillen - met oogvriendelijke SWIR-lichtbronnen. Enkele spannende toekomstige ontwikkelingen omvatten het verhogen van het QE (dat momenteel al 50 % bedraagt op testmonsters), het verminderen van de sensorruis en het introduceren van multispectrale arrays met op maat gemaakte patrooningsstrategieën."

Het prototype van de SWIR-beeldsensor is ontwikkeld in het kader van imecs onderzoeksprogramma Pixel Technology Explore. In het kader van deze activiteit werkt imec samen met materiaalbedrijven, beeldsensorbedrijven, apparatuurleveranciers en technologie-integrators om toegankelijke innovatieve en op maat gemaakte CMOS-beeldtechnologieën te ontwikkelen.