Dünnfilm-Fotodetektoren

Si-basierte CMOS detektieren SWIR-Wellenlängen >1µm

Imec hat einen Durchbruch bei den Eigenschaften von siliziumbasierten CMOS-Bildsensoren erzielt: Sie können kurzwelliges Infrarot (SWIR) im Bereich oberhalb eines Mikrometers detektieren.

Bild 1 | Durch den Aufbau eines Dünnfilm-Multilayer-Stacks mit einer fotoaktiven und im IR-Bereich empfindlichen Schicht (r.) über einer Silizium-Ausleseschaltung (ROIC) ist ein IR-empfindlicher CMOS-Sensor (l.) möglich, der auch für eine Serienproduktion geeignet ist. (Bild: Imec)

Derartige Wellenlängen (z.B. in den Bändern 1.450 und 1.550nm) sind wichtig für die Entwicklung von Applikationen, wie z.B. Computer Vision in mobilen Geräten. Doch sind diese Wellenlängen aufgrund optischer Beschränkungen für Si-basierte Geräte normalerweise nicht erkennbar. Konventionelle Ansätze mit III-V-Materialien (wie InGaAs) können zwar diese Detektionsbarriere überwinden, allerdings sind sie für Konsumergeräte nicht zu einem akzeptablen Preis verfügbar. Dank der Dünnfilm-Fotodektor- (thin-film photo detector, TFPD) Technologie hat Imec nun eine End-to-End Lösung entwickelt, die Si-basierte Infrarot CMOS-Sensoren zum Preis von konventionellen CMOS-Bildgebern ermöglicht. Ein TFPD besteht aus Multilayer-Stacks mit einer Dicke von einigen Hundert Nanometern, wobei einer der Layer IR empfindlich ist. Durch Post-Processing wird dieser Layer auf eine Si-CMOS Ausleseschaltung aufgebracht, d.h. Infrarotdetektion in einem CMOS-kompatiblen Prozessfluss. Im Hinblick auf geeignete Materialien für dieses Dünnfilmelement werden eine Vielzahl von Optionen verfolgt. Sie reichen von Polymer- und organischen Materialien mit kleinen Molekülen bis hin zu anorganischen kolloidalen Quantum-Dot Layern. Letztere erscheinen, mit dem abstimmbaren Low-Energy Bandgap der Quantenpunkte, derzeit besonders viel versprechend. Bislang hat Imec die meisten seiner Prototypen und Demonstratoren mit PbS Quantum-Dot Materialien aufgebaut. Dabei bleiben die Bleianteile innerhalb der durch die EU RoHS-Richtlinien und andere Regulierungen vorgegebenen Grenzen. Vollständig bleifreie Alternativen sind auf der Roadmap und werden ebenfalls untersucht.

Prototypen bereits im Einsatz

In einer ersten Anwendung wurden monochrome Infrarotbildgeber auf Basis nur eines TFPD-Stack erstellt und als separate Die/Funktionalität auf Systemebene integriert. Diese erste Implementierung ist die einfachste, da sie einen noch unstrukturierten Layer des Dünnfilm-Fotodetektor Stacks nutzt. In diesem Szenario haben alle Pixel dasselbe Absorptionsspektrum, es sei denn man verwendet spezifische Filter. Eine potenzielle Applikation hierfür wäre die Erweiterung der Wellenlänge des Scanners zur Gesichtserkennung in Smartphone-Kameras. Dies würde es erlauben, das 1.450nm Spektrum zu nutzen, ohne allzu hohe Kosten oder Komplikationen auf Systemebene. Besonders für Augmented Reality Anwendungen könnte dies eine Option sein, um das Scanning ganzer Räume zu ermöglichen.

Bild 2 | Darstellung der verschiedenen CMOS-Sensoren: grundlegender IR-Detektor (l.); IR-Detektion integriert in einen Imager für sichtbares Licht (m.) und Multispektrale IR-Detektion durch abstimmbare TFPD-Layer (r.). (Bild: Imec)

In einer zweiten Implementierung zielt Imec auf monolithisch integrierte TFPD-Stacks im RGB-Pixel-Muster des CMOS-Imagers. In dieser Auslegung lassen sich Infrarot-Subpixel neben den konventionellen roten, grünen und blauen Fotodioden hinzufügen, d.h. dass kein separater Sensor zur IR-Detektion erforderlich wäre. Dies reduziert sowohl den Footprint des Systems, als auch dessen Leistungsverbrauch. Außerdem würde das eine Ebene mit zusätzlicher Information zu den Kameras für den sichtbaren Spektralbereich hinzufügen, wie z.B. an sehr einfache Kameras mit der Fähigkeit zur Tiefenerkennung.

Eine dritte Implementierung expandiert das Designkonzept mit monolithischen Pixeln und kombiniert dazu mehrere TFPD-Stacks mit unterschiedlichen optisch aktiven Materialien. Eine derartige Konfiguration würde multispektrale Sensoren auf Pixelebene im NIR- und SWIR-Bereich ermöglichen, und zwar mit einem sehr kompakten Formfaktor und zu einem Preis im Bereich von Silizium-Bildsensoren. Eine Applikation hierfür sind autonome Fahrzeuge, die Scanning-Fähigkeiten auf große Distanzen benötigen (ermöglicht durch den bei 1.450nm empfindlichen TFPD), und daneben auch eine gute Sichtbarkeit bei schlechtem Wetter oder geringen Umgebungshelligkeiten (ermöglicht durch einen bei 1.550nm empfindlichen TFPD). Eine weitere Anwendung wäre die Material-Sortierung, wobei das Abstimmen der Pixel auf charakteristische Wellenlängen, die Möglichkeit zur Bestimmung von Materialien hinzufügen würde (etwa bei der Unterscheidung der Vegetation von Gebäuden, oder von realen und künstlichen Pflanzen).

Für das erste genannte Konzept (monochromatischer IR-Sensor) hat Imec bereits einen vollständigen End-to-End Prototyp gebaut und in eine Kamera integriert. Die Verarbeitung beginnt mit einem 200mm ROIC-Wafer in der Foundry. Das Post-Processing und die TFPD-Integration (auf der Die- oder Wafer-Ebene) fanden in der Imec Fab statt, ebenso das Chip-Packaging und der Aufbau des Kamera-Moduls.