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Imec推出薄膜短波紅外圖像傳感器

作者： 2020年12月24日來(lái)源：瀏覽量：

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薄膜光電探測(cè)器與CMOS讀出電路的單片集成為高產(chǎn)量的晶圓級(jí)制造提供了一條途徑。　　近日，納米電子和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心Imec展示了一款高分辨率短波紅外(SWIR)圖像傳感器產(chǎn)品原型，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)記

　　薄膜光電探測(cè)器與CMOS讀出電路的單片集成為高產(chǎn)量的晶圓級(jí)制造提供了一條途徑。

　　近日，納米電子和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心Imec展示了一款高分辨率短波紅外(SWIR)圖像傳感器產(chǎn)品原型，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)記錄的小像素間距：1.82 µm。這款SWIR圖像傳感器基于一顆單片集成在定制Si-CMOS讀出電路上的薄膜光電探測(cè)器。兼容CMOS晶圓制造廠的工藝流程為高產(chǎn)量晶圓級(jí)生產(chǎn)鋪平了道路。Imec所展示的技術(shù)在像素間距和分辨率方面大大超過(guò)了當(dāng)今基于InGaAs的SWIR圖像傳感器的性能指標(biāo)，具有顛覆性的成本和外形尺寸。即使在對(duì)成本敏感的領(lǐng)域也可以“勝任”，典型應(yīng)用包括工業(yè)機(jī)器視覺(jué)、智能農(nóng)業(yè)、汽車(chē)、安防、生命科學(xué)和消費(fèi)電子領(lǐng)域。Imec將在第16屆2020 IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議(IEDM)上介紹上述成果。

　　Imec展示了3種不同像素間距的SWIR圖像，可以采用最小的像素間距(1.82µm)捕獲最高分辨率的圖像。

　　在某些應(yīng)用中，短波紅外(SWIR)范圍(波長(zhǎng)從1400nm到2000nm以上)的傳感技術(shù)比可見(jiàn)(VIS)和近紅外(NIR)范圍具有更大優(yōu)勢(shì)。例如，SWIR圖像傳感器可以透視煙霧或霧氣，甚至可以透視硅材料，這對(duì)于工業(yè)檢查和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用尤其重要。迄今為止，SWIR圖像傳感器是通過(guò)混合技術(shù)生產(chǎn)完成，其中將基于III-V的光電探測(cè)器(通常基于InGaAs)倒裝芯片方式連接至硅基讀出電路。雖然這種SWIR圖像傳感器非常靈敏，但是該技術(shù)對(duì)于批量生產(chǎn)而言是非常昂貴的，并且像素大小和像素?cái)?shù)量受到限制——阻礙了其在對(duì)成本、分辨率和/或外形尺寸非常敏感的市場(chǎng)中的應(yīng)用。

　　Imec采用了另一種SWIR圖像傳感器解決方案，該解決方案將薄膜光電探測(cè)器與Si-CMOS讀出電路單片集成，實(shí)現(xiàn)小于2µm的小像素間距。光電探測(cè)器像素疊層實(shí)現(xiàn)了薄吸收層，例如5.5nm PbS量子點(diǎn)——對(duì)應(yīng)于1400nm波長(zhǎng)的峰值吸收。峰值吸收波長(zhǎng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)納米晶體的尺寸來(lái)控制，并可以擴(kuò)展到超過(guò)2000nm的波長(zhǎng)。在SWIR峰值波長(zhǎng)處，可獲得18%的外部量子效率(EQE)(能夠進(jìn)一步提高到50%)。薄膜光電探測(cè)器與以130nm CMOS技術(shù)制造的定制讀出電路進(jìn)行單片集成。在此讀出電路中，基于130nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)3晶體管像素設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，從而為這款SWIR圖像傳感器產(chǎn)品原型實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)記錄的1.82µm小間距。

　　Imec薄膜圖像傳感器項(xiàng)目經(jīng)理Pawel Malinowski表示：“憑借我們的緊湊型高分辨率SWIR圖像傳感器技術(shù)，可以為客戶(hù)提供在Imec的200毫米晶圓制造廠內(nèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的小批量生產(chǎn)的途徑。這些SWIR圖像傳感器可以部署在工業(yè)機(jī)器視覺(jué)(例如光伏面板監(jiān)控)、智能農(nóng)業(yè)(例如檢查和分類(lèi))、汽車(chē)、安防、生命科學(xué)(例如無(wú)透鏡成像)等應(yīng)用領(lǐng)域。由于傳感器的外形小巧，可以通過(guò)人眼安全的SWIR光源集成到小型相機(jī)之中，例如智能手機(jī)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)眼鏡。令人興奮的未來(lái)發(fā)展包括EQE的提高(目前在測(cè)試樣品的SWIR已達(dá)到50%)，降低傳感器噪聲以及采用定制像素方法引入多光譜陣列。

　　SWIR圖像傳感器產(chǎn)品原型是在Imec的“Pixel Technology Explore”研究計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的。在這項(xiàng)計(jì)劃中，Imec與材料供應(yīng)商、圖像傳感器設(shè)計(jì)公司、設(shè)備供應(yīng)商和技術(shù)集成商展開(kāi)合作，開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)界可用的創(chuàng)新和定制CMOS成像技術(shù)。

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