近日，世界领先的纳米电子和数字技术研究与创新中心Imec展示了一款高分辨率短波红外（SWIR）图像传感器产品原型，实现了创记录的小像素间距：1.82 μm。这款SWIR图像传感器基于一颗单片集成在定制Si-CMOS读出电路上的薄膜光电探测器。
Imec展示了3种不同像素间距的SWIR图像，可以采用最小的像素间距（1.82μm）捕获最高分辨率的图像
其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。
在某些应用中，短波红外（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。SWIR图像传感器可以透视烟雾或雾气，甚至可以透视硅，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/或外形尺寸非常敏感的市场中的应用。
硅基可见光/近红外摄像头 vs. 基于III-V的短波红外摄像头
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，可以获得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。在此读出电路中，针对可访问的130 nm技术节点中像素尺寸的缩放优化了3晶体管像素设计，从而为原型SWIR成像器记录了1.82 μm的小间距。
Imec基于薄膜光电探测器的SWIR图像传感器技术基础
Imec薄膜成像器项目经理Pawel Malinowski:“凭借我们的紧凑，高分辨率SWIR图像传感器技术，我们为客户提供了一条途径，可在imec的200毫米工厂内进行可承受的小批量生产。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，它们可以集成在带有人眼安全SWIR光源的小型相机中，例如智能手机或AR / VR眼镜。令人兴奋的未来发展包括提高EQE（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。