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Imec推出薄膜短波红外图像传感器,具有小像素和低成本等优势


  来源: 麦姆斯咨询 时间:2020-12-14 编辑:清风
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薄膜光电探测器与CMOS读出电路的单片集成为高产量的晶圆级制造提供了一条途径。


Imec推出高分辨率短波红外(SWIR)图像传感器,具有小像素和低成本等优势


近日,世界领先的纳米电子和数字技术研究与创新中心Imec展示了一款高分辨率短波红外(SWIR)图像传感器产品原型,实现了创记录的小像素间距:1.82 µm。这款SWIR图像传感器基于一颗单片集成在定制Si-CMOS读出电路上的薄膜光电探测器。兼容CMOS晶圆制造厂的工艺流程为高产量晶圆级生产铺平了道路。Imec所展示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图像传感器的性能指标,具有颠覆性的成本和外形尺寸。即使在对成本敏感的领域也可以“胜任”,典型应用包括工业机器视觉、智能农业、汽车、安防、生命科学和消费电子领域。Imec将在第16届2020 IEEE国际电子器件会议(IEDM)上介绍上述成果。


Imec展示了3种不同像素间距的SWIR图像,可以采用最小的像素间距(1.82µm)捕获最高分辨率的图像。


在某些应用中,短波红外(SWIR)范围(波长从1400nm到2000nm以上)的传感技术比可见(VIS)和近红外(NIR)范围具有更大优势。例如,SWIR图像传感器可以透视烟雾或雾气,甚至可以透视硅材料,这对于工业检查和机器视觉应用尤其重要。迄今为止,SWIR图像传感器是通过混合技术生产完成,其中将基于III-V的光电探测器(通常基于InGaAs)倒装芯片方式连接至硅基读出电路。虽然这种SWIR图像传感器非常灵敏,但是该技术对于批量生产而言是非常昂贵的,并且像素大小和像素数量受到限制——阻碍了其在对成本、分辨率和/或外形尺寸非常敏感的市场中的应用。


硅基可见光/近红外摄像头 vs. 基于III-V的短波红外摄像头


Imec采用了另一种SWIR图像传感器解决方案,该解决方案将薄膜光电探测器与Si-CMOS读出电路单片集成,实现小于2µm的小像素间距。光电探测器像素叠层实现了薄吸收层,例如5.5nm PbS量子点——对应于1400nm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控制,并可以扩展到超过2000nm的波长。在SWIR峰值波长处,可获得18%的外部量子效率(EQE)(能够进一步提高到50%)。薄膜光电探测器与以130nm CMOS技术制造的定制读出电路进行单片集成。在此读出电路中,基于130nm技术节点对3晶体管像素设计进行了优化,从而为这款SWIR图像传感器产品原型实现了创记录的1.82µm小间距。


薄膜光电探测器机遇(CIS vs. TFPD vs. III-V / II-VI / hybrid)


Imec基于薄膜光电探测器的SWIR图像传感器技术基础


Imec薄膜图像传感器项目经理Pawel Malinowski表示:“凭借我们的紧凑型高分辨率SWIR图像传感器技术,可以为客户提供在Imec的200毫米晶圆制造厂内进行经济实惠的小批量生产的途径。这些SWIR图像传感器可以部署在工业机器视觉(例如光伏面板监控)、智能农业(例如检查和分类)、汽车、安防、生命科学(例如无透镜成像)等应用领域。由于传感器的外形小巧,可以通过人眼安全的SWIR光源集成到小型相机之中,例如智能手机和增强现实/虚拟现实(AR/VR)眼镜。令人兴奋的未来发展包括EQE的提高(目前在测试样品的SWIR已达到50%),降低传感器噪声以及采用定制像素方法引入多光谱阵列。


SWIR图像传感器产品原型是在Imec的“Pixel Technology Explore”研究计划中开发的。在这项计划中,Imec与材料供应商、图像传感器设计公司、设备供应商和技术集成商展开合作,开发产业界可用的创新和定制CMOS成像技术。


关键词:传感器 SWIR图像传感器 光电探测器    浏览量:436

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