IMEC研發(fā)高分辨率SWIR圖像傳感器原型

近日，比利時歐洲微電子中心(Imec)的研究人員研發(fā)了一款高分辨率短波紅外線圖像傳感器的原型機(jī)，像素間距小至1.82微米，刷新記錄。該款SWIR圖像傳感器原型由IMEC的像素技術(shù)探測(Pixel Technology Explore)研究項目研發(fā)，在此次項目中，IMEC與材料公司、圖像傳感器公司、設(shè)備供應(yīng)商和技術(shù)集成商合作，研發(fā)了實用的創(chuàng)新定制化CMOS成像技術(shù)。

該款傳感器基于一個薄膜光電探測器打造，而該光電探測器單片集成于定制化硅-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Si-CMOS)讀出電路上。研究人員采用了可與晶圓廠兼容的工藝流程，為大規(guī)模生產(chǎn)晶圓級傳感器鋪平了道路。此次研發(fā)的技術(shù)在像素間距和分辨率方面都大大超越了現(xiàn)有的銦鎵砷(InGaAs)SWIR圖像傳感器，而且具有很大的成本和尺寸優(yōu)勢，甚至可以應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器視覺、智能基礎(chǔ)設(shè)施、汽車、監(jiān)控、生命科學(xué)和消費電子產(chǎn)品等對成本要求比較高的新應(yīng)用。

在某些應(yīng)用中，短波紅外線(SWIR)波長范圍(1400納米至2000納米以上)內(nèi)的傳感性能比可見光(VIS)和近紅外波長內(nèi)的傳感性能更具優(yōu)勢。例如，SWIR圖像傳感器能夠穿透煙或霧，甚至穿透硅，而硅與檢查和工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用息息相關(guān)。截至目前，人們一直采用一種混合技術(shù)制造SWIR圖像傳感器，將基于III-V的光電探測器(通?；贗nGaAs制造)反轉(zhuǎn)連接到硅讀出電路。此類傳感器具有高靈敏性，但是大規(guī)模生產(chǎn)該項技術(shù)十分昂貴，而且在像素的尺寸和數(shù)量上具有局限性，也阻礙其在看重成本、分辨率以及/或尺寸的市場中得到采用。

IMEC提出了一種替代性解決方案，通過將薄膜光電探測器堆棧單片集成于Si-CMOS讀出電路上，制成了具有小至1.82微米、創(chuàng)紀(jì)錄像素間距的圖像傳感器。與1400納米波長的峰值吸收層相對應(yīng)，該款光電探測器像素堆棧實現(xiàn)了一個薄薄的吸收層，如5.5納米PbS量子點。通過調(diào)節(jié)納米晶體的尺寸可以調(diào)節(jié)峰值吸收波長，并可將波長擴(kuò)展至2000納米以上。在SWIR峰值波長處，可實現(xiàn)18%的外量子效率(EQE)(并可進(jìn)一步提高到50%)。其中，光電探測器單片集成至一個定制的讀出電路，采用130納米CMOS技術(shù)進(jìn)行處理。在該讀出電路中，采用三像素設(shè)計優(yōu)化法以在130納米技術(shù)節(jié)點內(nèi)縮放像素尺寸，最終讓該SWIR圖像傳感器原型的像素小至創(chuàng)紀(jì)錄的1.82微米。