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imec、サブ2µm ピクセルピッチ薄膜短波赤外イメージセンサ

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January, 27, 2021, Leuven--Imecは、記録的な1.82 µmピクセルピッチ、高分解能短波赤外(SWIR)画像センサを発表した。それは、カスタムSi-CMOS読み出し回路にモノリシック集積された薄膜フォトディテクタをベースにしている。ファブ適合プロセスフローは、高スループット、ウエファレベル製造に道を開く。
 紹介された技術は、ピクセルピッチと分解能で今日のInGaAsベースSWIRイメージャの能力を著しく上回る。コストもフォームファクタの将来性も破壊的である。新しいアプリケーションは、コストに敏感な領域でも可能である。産業用マシンビジョン、スマート農業、自動車、監視、ライフサイエンスやコンシューマエレクトロニクスなど。Imecは、2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)でこの成果を紹介した。

短波赤外(SWIR)範囲(波長1400nm~2000nm超)センシングは、アプリケーションによっては可視光(VIS)や近赤外(NIR)範囲に対して優位性がある。SWIRイメージセンサは、例えば、煙や霧、シリコンでも透過して見ることができる、これは特に検査や産業用マシンビジョンアプリケーションに関係している。今日、SWIRイメージセンサは、ハイブリッド技術により製造される。III-Vベースフォトディテクタ(通常はInGaAsベース)をシリコン読み出し回路にフリップチップボンドする。これらのセンサは、非常に高感度にできるが、その技術は,量産するには高価格であり、ピクセルサイズやピクセル数を制限するので、コスト、分解能および/またはフォームファクタが重要な市場での普及を阻んでいる。

Imecは、記録的に小さなサブ2 µmピクセルピッチを可能にする代替ソリューションを発表した。これは薄膜フォトディテクタスタックとSi-CMOS読み出し回路をモノリシック集積したものである。フォトディテクタピクセルスタックは、5.5 nm PbS量子ドットなど薄い吸収層を実装する、これは1400nm波長でのピーク吸収に対応する。ピーク吸収波長は、ナノ結晶サイズを調整することでチューニングできる。また、2000 nm以上にも波長を拡大できる。ピークSWIR波長で、18%の外部量子効率(EQE)が得られている(また、さらなる改善により50%にアップグレード可能)。フォトディテクタスタックは、カスタム読み出し回路とモノリシック集積されており、130 nm CMOS技術で加工されている。この読み出し回路では、3トランジスタピクセル設計は、利用しやすい130nm技術ノードでピクセルサイズ拡張に最適化されており、プロトタイプSWIRイメージャで1.82 µmの記録的なスモールピッチになっている。

Pawel Malinowski、imecの薄膜イメージプログラムマネージャは、「われわれのコンパクト、高分解能SWIRイメージセンサ技術で、imecの200㎜ファシリティによる手頃な価格の少量製造への道を顧客に提供する。これらのイメージセンサは、産業マシンビジョン(太陽光パネルモニタリング)、スマート農業(検査と分類)、自動車、監視、ライフサイエンス(レンズフリーイメージング)、など、さらに多くのアプリケーションに導入可能である。スモールフォームファクタであるので、センサは、アイセーフSWIR光源とともに、小型カメラ、スマートフォン、AR/VRグラスなどに組込可能である。今後の開発には、EQE(現状、SWIRテストサンプルで、すでに50%)向上、、センサノイズ低減やカスタマイズされたパタニングアプローチのマルチスペクトルアレイの導入が含まれる。

ポータブルSWIRイメージセンサは、imecのPixel Technology Explore研究プログラムで開発された。この活動でimecは材料会社、イメージセンサ会社、装置サプライヤおよび技術インテグレータと協力して利用しやすい画期的、カスタマイズされたCMOSイメージング技術を開発した。