Imec prezentuje cienkowarstwowy obrazowy sensor podczerwieni o krótkofalowym zakresie z pikselem o rozstawie poniżej 2 µm

Obrazy SWIR dla 3 różnych odstępów pikseli. Obrazy o najwyższej rozdzielczości można było uzyskać przy najmniejszym (1,82 µm) odstępie pikseli. / Obrazy SWIR dla 3 różnych odstępów pikseli. Obrazy o najwyższej rozdzielczości można było uzyskać przy najmniejszym (1,82 µm) odstępie pikseli.

Detektor fotonowy z cienkowarstwowym filmem został monolitycznie zintegrowany na niestandardowym układzie odczytowym Si-CMOS. (Źródło: Imec)

Imec, światowy lider w dziedzinie badań i innowacji w zakresie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, prezentuje prototyp wysokorozdzielczego czujnika obrazu w podczerwieni krótkofalowej (SWIR) z rekordowo małym odstępem pikseli wynoszącym 1,82 µm. Opiera się on na cienkowarstwowym detektorze fotonicznym, monolitycznie zintegrowanym z niestandardowym układem odczytu Si-CMOS. Proces zgodny z technologią fabryczną umożliwia produkcję na poziomie wafla z wysoką przepustowością. Przedstawiona technologia znacznie przewyższa możliwości dzisiejszych obrazowców SWIR opartych na InGaAs pod względem odstępu pikseli i rozdzielczości, oferując przełomowy potencjał pod względem kosztów i formatu. Nowe zastosowania stają się możliwe nawet w obszarach wrażliwych na koszty, takich jak przemysłowa wizja maszynowa, inteligentne rolnictwo, przemysł motoryzacyjny, nadzór, nauki biologiczne i elektronika użytkowa. Imec zaprezentuje te wyniki na konferencji IEDM 2020 w sesji 16.5.

Próbkowanie w zakresie krótkofalowego podczerwieni (SWIR) (z długościami fal od około 1400 nm do ponad 2000 nm) oferuje pewne przewagi w porównaniu z widzialnym (VIS) i bliskim podczerwienią (NIR). Czujniki obrazu SWIR mogą na przykład widzieć przez dym, mgłę, a nawet przez krzem — co jest szczególnie istotne dla inspekcji i przemysłowej wizji maszynowej. Dotychczas czujniki obrazu SWIR produkowano za pomocą technologii hybrydowej, w której fotodetektor oparty na III-V (najczęściej na InGaAs) jest flip-chip-łączony z układem odczytu z krzemu. Te czujniki mogą być ekstremalnie czułe, ale technologia ta jest dość droga w masowej produkcji i ograniczona rozmiarem pikseli oraz ich liczbą — co utrudnia jej wprowadzenie na rynki, dla których kluczowe są koszty, rozdzielczość i/lub format.

Imec przedstawia alternatywne rozwiązanie, które dzięki monolitycznej integracji cienkowarstwowego stosu detektorów fotonicznych z niestandardowym układem odczytu Si-CMOS umożliwia rekordowo mały odstęp pikseli poniżej 2 µm. Stos detektorów fotonicznych implementuje cienką warstwę absorpcyjną, np. 5,5 nm PbS-kwantowe punkty — odpowiadające szczytowej absorpcji przy długości fali 1400 nm. Długość fali szczytowej absorpcji może być dostosowana przez zmianę rozmiaru nanokryształów i jest nawet możliwa do rozszerzenia na długości fal powyżej 2000 nm. Przy maksymalnej długości fali SWIR osiągana jest zewnętrzna efektywność kwantowa (EQE) na poziomie 18% (może być zwiększona do 50% dzięki dalszym ulepszeniom). Stos detektorów jest monolitycznie zintegrowany z niestandardowym układem odczytu, wyprodukowanym w technologii 130 nm CMOS. W tym układzie zoptymalizowano projekt piksela 3-transystorowego pod kątem skalowania rozmiaru piksela w dostępnej technologii 130 nm, co pozwoliło na osiągnięcie rekordowo małego pitcha wynoszącego 1,82 µm dla prototypu obrazowca SWIR.

Pawel Malinowski, kierownik programu ds. cienkowarstwowych obrazowców w imec: „Nasza kompaktowa, wysokorozdzielcza technologia czujników obrazu SWIR oferuje naszym klientom drogę do przystępnej produkcji niskoseryjnej w ramach linii produkcyjnej imec o średnicy 200 mm. Czujniki te mogą być wykorzystywane w przemysłowej wizji maszynowej (np. do kontroli paneli fotowoltaicznych), w inteligentnym rolnictwie (np. do inspekcji i sortowania), w motoryzacji, nadzorze, naukach biologicznych (np. do obrazowania bez soczewek) i wielu innych dziedzinach. Ze względu na ich mały format mogą być potencjalnie zintegrowane w małych kamerach, takich jak smartfony czy okulary AR/VR — z bezpiecznymi dla oczu źródłami światła SWIR. Niektóre z ekscytujących przyszłych rozwiązań obejmują zwiększenie EQE (obecnie już osiągające 50% na próbkach testowych), redukcję szumu czujnika oraz wprowadzenie wielospektralnych matryc z niestandardowym wzorem układu."

Prototyp czujnika obrazu SWIR został opracowany w ramach programu badawczego Pixel Technology Explore prowadzonego przez imec. W ramach tej inicjatywy imec współpracuje z firmami z branży materiałowej, producentami czujników obrazu, dostawcami sprzętu i integratorami technologii, aby rozwijać dostępne, innowacyjne i niestandardowe technologie CMOS do obrazowania.