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。
