像素间距小于2µm的薄膜短波红外图像传感器

Imec研究人员开发了一种原型的高分辨率短波红外(SWIR)图像传感器，其记录的小像素间距为1.82 µm。它基于单片集成在定制Si-CMOS读出电路上的薄膜光电探测器。兼容晶圆厂的工艺流程为高产量晶圆级制造铺平了道路。提出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，具有破坏性的成本和潜在的外形尺寸。即使在对成本敏感的领域中也可以启用新应用，例如工业机器视觉，智能农业，汽车，监视，生命科学和消费电子领域。Imec将在第16届2020 IEEE国际电子设备会议(IEDM)上介绍这些结果。

在某些应用中，短波长红外(SWIR)范围(波长从1400 nm到2000 nm以上)的传感提供了优于可见(VIS)和近红外(NIR)范围的优势。例如，SWIR图像传感器可以透过烟雾或雾，甚至可以透过硅来查看，这对于检查和工业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的，其中将基于III-V的光电探测器(通常基于InGaAs)倒装芯片连接至硅读出电路。可以使这些传感器非常灵敏，但是该技术对于批量生产而言非常昂贵，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/或形状因数至关重要的市场中的采用。

Imec引入了另一种解决方案，该解决方案通过将薄膜光电检测器堆栈与Si-CMOS读出电路单片集成来实现小于2 µm的小像素间距记录。光电探测器像素堆栈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，并且可以扩展到甚至超过2000nm的波长。在SWIR峰值波长处，可获得18%的外部量子效率(EQE)(可以进一步提高到50%)。光电探测器堆栈与以130 nm CMOS技术处理的定制读出电路单片集成。在该读出电路中，3晶体管像素设计被用于缩放优化的像素 在可访问的130 nm技术节点中缩小尺寸，从而使原型SWIR成像器的记录间距小至1.82 µm。

imec的薄膜成像仪项目经理Pawel Malinowski：“借助我们的紧凑型高分辨率SWIR图像传感器技术，我们为客户提供了在imec的200毫米工厂内以可承受的价格进行小批量生产的途径。这些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，监视，生命科学(例如，无透镜成像)等领域。由于它们的外形小巧，它们可以通过人眼安全的SWIR光源集成到小型相机中，例如智能手机或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中已达到50%)，降低传感器噪声以及采用定制的构图方法引入多光谱阵列。”

SWIR图像传感器的原型是在imec的Pixel Technology Explore研究计划中开发的。在这项活动中，imec与材料公司，图像传感器公司，设备供应商和技术集成商合作，开发可访问的创新和定制CMOS成像技术。

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