CMOS对阵铟镓砷SWIR传感器

可以记录1.82μm小像素间距的Imec 原型高分辨率图像传感器

 

Imec提出了一种原型高分辨率短波红外( SWIR )图像传感器，其记录的小像素间距为1.82 μ m。它基于一个单片集成在定制Si-CMOS读出电路上的薄膜光电探测器。

 

一个兼容晶圆厂的工艺流程为高通量、晶圆级制造铺平了道路。所呈现的技术在像素间距和分辨率方面大大超过了当今基于InGaAs的SWIR成像仪的功能，颠覆性的成本价值和具有潜力的外形尺寸。即使在对成本敏感的领域，如工业机器视觉、智能农业、汽车、监控、生命科学和消费电子领域，也能启用新应用。Imec将在2020年IEDM大会第16.5届会议上介绍这些成果。

 

在某些应用中，短波红外（SWIR）范围（波长从1400 nm到2000 nm以上）的传感比可见光（VIS）和近红外（NIR）更具有优势。SWIR图像传感器可以透视烟雾或雾气，甚至可以透视硅，这对于检验和工业机器视觉应用尤其重要。

 

目前，SWIR图像传感器是通过一种混合技术生产的，其中III - V基光电探测器(通常是InGaAs基)是通过倒装芯片键合在硅读出电路上，可以使这些传感器非常灵敏，但这种技术对于批量制造来说相当昂贵，而且在像素大小和像素数量上受到限制，阻碍了在看重成本、分辨率或形式因素市场上的推广。

 

Imec引入了另一种解决方案，该解决方案通过单片集成薄膜光电探测器堆和Si-CMOS读出电路，来实现小于2 μm的小像素间距记录。光电探测器像素堆实现了一个薄吸收层，例如5.5 nm PbS量子点-对应于1400 nm波长的峰值吸收。峰值吸收波长可以通过调节纳米晶体的尺寸来调节，并且可以扩展到2000 nm以上的波长。

 

在SWIR峰值波长处，可以获得18％的外部量子效率（EQE）（可以进一步提高到50％）。采用130nm CMOS工艺加工，光电探测器堆单片集成在定制的读出电路上。在此读出电路中，针对可访问130 nm技术节点中像素尺寸的缩放，优化了三晶体管像素设计，使原型SWIR成像仪记录到1.82 μ m的小节距。

 

Imec薄膜成像器项目经理Pawel Malinowski说：“凭借紧凑，高分辨率的SWIR图像传感器技术，我们为客户提供了一种可能，即可在imec 200毫米的设备内进行能力范围内的小批量生产。这些图像传感器可以应用于工业机器视觉（如光伏面板监控），智能农业(如检测和分选)，汽车，监视，生命科学（如无透镜成像）等领域。由于它们的外形小巧，可以集成在带有人眼安全SWIR光源的小型相机中，例如智能手机或AR / VR眼镜。未来的发展令人兴奋，其中包括提高EQE（目前SWIR在测试样本上的EQE已经达到50 %），降低传感器噪声以及引入定制模式的多光谱阵列。

 

原型SWIR图像传感器是在Imec的Pixel Technology Explore研究计划中发明的。在这项研究计划中，imec与材料公司、图像传感器公司、设备供应商和技术系统集成商合作，开发创新和定制的CMOS成像技术。