IMEC研发高分辨率SWIR图像传感器原型

近日，比利时欧洲微电子中心(Imec)的研究人员研发了一款高分辨率短波红外线图像传感器的原型机，像素间距小至1.82微米，刷新记录。该款SWIR图像传感器原型由IMEC的像素技术探测(Pixel Technology Explore)研究项目研发，在此次项目中，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，研发了实用的创新定制化CMOS成像技术。

该款传感器基于一个薄膜光电探测器打造，而该光电探测器单片集成于定制化硅-互补金属氧化物半导体(Si-CMOS)读出电路上。研究人员采用了可与晶圆厂兼容的工艺流程，为大规模生产晶圆级传感器铺平了道路。此次研发的技术在像素间距和分辨率方面都大大超越了现有的铟镓砷(InGaAs)SWIR图像传感器，而且具有很大的成本和尺寸优势，甚至可以应用于工业机器视觉、智能基础设施、汽车、监控、生命科学和消费电子产品等对成本要求比较高的新应用。

在某些应用中，短波红外线(SWIR)波长范围(1400纳米至2000纳米以上)内的传感性能比可见光(VIS)和近红外波长内的传感性能更具优势。例如，SWIR图像传感器能够穿透烟或雾，甚至穿透硅，而硅与检查和工业机器视觉应用息息相关。截至目前，人们一直采用一种混合技术制造SWIR图像传感器，将基于III-V的光电探测器(通常基于InGaAs制造)反转连接到硅读出电路。此类传感器具有高灵敏性，但是大规模生产该项技术十分昂贵，而且在像素的尺寸和数量上具有局限性，也阻碍其在看重成本、分辨率以及/或尺寸的市场中得到采用。

IMEC提出了一种替代性解决方案，通过将薄膜光电探测器堆栈单片集成于Si-CMOS读出电路上，制成了具有小至1.82微米、创纪录像素间距的图像传感器。与1400纳米波长的峰值吸收层相对应，该款光电探测器像素堆栈实现了一个薄薄的吸收层，如5.5纳米PbS量子点。通过调节纳米晶体的尺寸可以调节峰值吸收波长，并可将波长扩展至2000纳米以上。在SWIR峰值波长处，可实现18%的外量子效率(EQE)(并可进一步提高到50%)。其中，光电探测器单片集成至一个定制的读出电路，采用130纳米CMOS技术进行处理。在该读出电路中，采用三像素设计优化法以在130纳米技术节点内缩放像素尺寸，最终让该SWIR图像传感器原型的像素小至创纪录的1.82微米。