カメラ性能変革、サブミクロンピクセルサイズでカラーレンダリング

December, 22, 2023, Leuven--2023年国際電子デバイス会議(IEEE IEDM 2023)において、ナノエレクトロニクスとデジタル技術における世界有数の研究・イノベーションハブであるimecは、300mmウエハ上の標準的なバックエンド・オブ・ライン処理を使用して、サブミクロン分解能で色を忠実に分割する新しい方法を実演した。
この技術は、ハイエンドカメラの性能を向上させ、より高いS/N比、前例のない空間分解能で色品質を向上させる。

次世代CMOSイメージャを設計するには、入射するすべての光子を収集し、光子サイズまたは回折限界までの解像度を達成し、光の色を正確に記録することのバランスを取る必要がある。画素にカラーフィルタを備えた従来のイメージセンサでは、3つの要件をすべて組み合わせるにはまだ限界がある。ピクセル密度を高くすると画像全体の解像度は向上するが、ピクセルが小さいほど取り込む光はさらに少なくなり、隣接ピクセルからカラー値を補間した結果、アーティファクトが発生しやすくなる。回折ベースのカラースプリッタは、色感度の向上と光の捕捉において飛躍的な進歩を表しているが、それでも画像の解像度を向上させることはできない。

imecは現在、標準的なバックエンド処理を使用して、サブミクロンのピクセルサイズ(つまり、基本的なアッベ回折限界を超える)で色を分割するための根本的に新しい方法を提案している。このアプローチは、ほぼすべての光子を収集し、非常に小さなピクセルを利用して解像度を向上させ、色を忠実にレンダリングすることで、次世代イメージャの全ての条件を満たしている。これを達成するために、imecの研究者は、SiO2マトリックス中に垂直Si3N4マルチモード導波路アレイを構築した。導波路には、すべての入射光を収集するためのテーパー状の回折限界サイズの入力(800×800 nm2など)がある。「各導波路では、入射光子は対称モードと非対称モードの両方を励起し、導波路を異なる方法で伝搬するため、特定の周波数で2つのモード間に固有の「ビート」パターンが生じる。このビートパターンにより、特定の色に対応する導波路の末端で空間的な分離が可能になる」と、imecの科学ディレクタ、Jan Genoe教授は説明している。各導波路からの総出力光は、人間の色覚の範囲(波長範囲400〜700nm)で90%以上に達すると推定され、カラーフィルタよりも優れている。

imecの技術スタッフの主要メンバー、Robert Gehlhaarは、「この技術は標準的な300mm加工と互換性があるため、スプリッタをコスト効率よく製造できる。これにより、高解像度イメージャのさらなるスケーリングが可能になり、最終的な目標は、すべての入射光子とその特性を検出すること。われわれの野望は、回折限界分解能のカラーイメージングの将来の標準になることだ。われわれは、業界パートナーがフルカメラのデモンストレーションへの道を歩むことを歓迎している」と話している。