Imec präsentiert Dünnschicht-Kurzwellen-Infrarot-Bildsensor mit Sub-2-µm-Pixelpitch

SWIR-Bilder für 3 verschiedene Pixelabstände. Die Bilder mit der höchsten Auflösung konnten mit dem kleinsten (1,82 µm) Pixelabstand aufgenommen werden. / SWIR images for 3 different pixel pitches. Highest resolution images could be captured with the smallest (1.82 µm) pixel pitch.

Der Dünnfilm-Photodetektor wurde monolithisch auf einer kundenspezifischen Si-CMOS-Ausleseschaltung integriert. (Bildnachweis: Imec) / The thin-film photodetector was monolithically integrated on a custom Si-CMOS readout circuit. (Source: Imec)

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, präsentiert den Prototyp eines hochauflösenden Kurzwellen-Infrarot (SWIR)-Bildsensors mit rekordverdächtig kleinem Pixelabstand von 1,82 µm. Er basiert auf einem Dünnfilm-Photodetektor, der monolithisch auf einer kundenspezifischen Si-CMOS-Ausleseschaltung integriert ist. Ein fab-kompatibler Prozessablauf ebnet den Weg zu einer Wafer-Level-Fertigung mit hohem Durchsatz.  Die vorgestellte Technologie übertrifft die Fähigkeiten heutiger InGaAs-basierter SWIR-Imager in Bezug auf Pixelabstand und Auflösung bei weitem, mit einem bahnbrechenden Kosten- und Formfaktorpotenzial. Neue Anwendungen werden selbst in kostensensitiven Bereichen ermöglicht, wie z.B. in der industriellen Bildverarbeitung, der smarten Landwirtschaft, der Automobilindustrie, der Überwachungsindustrie, den Biowissenschaften und der Unterhaltungselektronik. Imec wird diese Ergebnisse auf der IEDM Conference 2020 in Session 16.5 vorstellen.

Die Abtastung im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) (mit Wellenlängen von etwa 1400 nm bis über 2000 nm) bietet für einige Anwendungen Vorteile gegenüber dem sichtbaren (VIS) und nahen Infrarotbereich (NIR). SWIR-Bildsensoren können z. B. durch Rauch oder Nebel oder sogar durch Silizium hindurch sehen - was besonders für Inspektions- und industrielle Machine-Vision-Anwendungen relevant ist. Bislang werden SWIR-Bildsensoren durch eine Hybridtechnologie hergestellt, bei der ein III-V-basierter Photodetektor (meist auf InGaAs-Basis) mit einer Silizium-Ausleseschaltung flip-chip-gebondet wird. Diese Sensoren können extrem empfindlich gemacht werden, aber die Technologie ist ziemlich teuer für die Massenproduktion und begrenzt in der Größe der Pixel und der Anzahl der Pixel - was ihre Einführung in Märkten behindert, für die Kosten, Auflösung und/oder Formfaktor entscheidend sind.

Imec stellt eine alternative Lösung vor, die durch monolithische Integration eines Dünnfilm-Photodetektorstapels mit einem Si-CMOS-Ausleseschaltkreis einen rekordverdächtig kleinen Pixelabstand von unter 2 µm ermöglicht. Der Photodetektor-Pixelstapel implementiert eine dünne Absorberschicht wie z.B. 5,5 nm PbS-Quantenpunkte - entsprechend einer Spitzenabsorption bei 1400 nm Wellenlänge. Die Peak-Absorptionswellenlänge kann durch Anpassung der Nanokristallgröße abgestimmt werden und ist sogar auf Wellenlängen über 2000 nm erweiterbar. Bei der maximalen SWIR-Wellenlänge wird eine externe Quanteneffizienz (EQE) von 18 % erreicht (und kann mit weiteren Verbesserungen in Richtung 50 % gesteigert werden). Der Photodetektorstapel ist monolithisch mit einer kundenspezifischen Ausleseschaltung integriert, die in 130-nm-CMOS-Technologie gefertigt wurde. In dieser Ausleseschaltung wurde das 3-Transistor-Pixeldesign für die Skalierung der Pixelgröße im zugänglichen 130-nm-Technologieknoten optimiert, was zu einem rekordverdächtig kleinen Pitch von 1,82 µm für den Prototyp des SWIR-Imagers führt.

Pawel Malinowski, Programmleiter Dünnschicht-Imager bei imec: "Mit unserer kompakten, hochauflösenden SWIR-Bildsensortechnologie bieten wir unseren Kunden einen Weg zur erschwinglichen Kleinserienfertigung innerhalb der 200-mm-Anlage von imec. Diese Bildsensoren können in der industriellen Bildverarbeitung (z.B. für die Kontrolle von Photovoltaik-Panels), in der intelligenten Landwirtschaft (z.B. für Inspektion und Sortierung), im Automobilbau, in der Überwachung, in den Biowissenschaften (z.B. für linsenlose Bildgebung) und vielen anderen Bereichen eingesetzt werden. Aufgrund ihres kleinen Formfaktors können sie potenziell in kleine Kameras integriert werden, wie z. B. in Smartphones oder AR/VR-Brillen - mit augenverträglichen SWIR-Lichtquellen. Einige der spannenden zukünftigen Entwicklungen umfassen die Erhöhung der EQE (die derzeit bereits bei 50 % im SWIR auf Testmustern liegt), die Reduzierung des Sensorrauschens und die Einführung von multispektralen Arrays mit kundenspezifischem Musterungsansatz."

Der Prototyp des SWIR-Bildsensors wurde im Rahmen von imecs Forschungsprogramm Pixel Technology Explore entwickelt. Im Rahmen dieser Aktivität arbeitet imec mit Werkstofffirmen, Bildsensor-Firmen, Ausrüstungslieferanten und Technologieintegratoren zusammen, um zugängliche innovative und kundenspezifische CMOS-Bildtechnologien zu entwickeln.