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让智慧型手机和自驾交通工具看见不可见
洞悉基於矽的短波红外线CMOS感测技术

【作者: Pawel Malinowski等人】2020年04月15日 星期三

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爱美科提出了相机整合解决方案,使得基於矽的CMOS感测器能够感测短波红外线(short-wave infrared;SWIR)波长,这些感测器原本受限於物理和光学定律,通常无法感测到这些波段。此举可能将开启扩增实境(augmented reality;AR)、机器视觉和自驾交通工具等应用的功能性扩充之路。


由於爱美科跨部门进行了材料开发、半导体处理技术和系统级设计等面向的研究,他们在基於矽的CMOS影像感测器性能上实现了的重大突破,能够感测到1μm以上的SWIR波长。这些波段例如1450nm和1550nm波段,对於像是行动装置的电脑视觉等应用的发展而言十分重要。然而,由於光学限制,这些波段对於基於矽的装置来说通常是不可视的。传统的解决方法利用三五族材料,像是砷化????(InGaAs),就能克服此感测障碍,但却不符合消费性装置市场可接受的价格点。


多亏了薄膜光感测技术(thin-film photodetector;TFPD),爱美科现已开发出端到端的解决方案,能以传统CMOS影像感测器的价格点打造出基於矽的CMOS红外线(infrared;IR)感测器。首批研究结果已经以近??系统级的相机整合解决方案展示。这些结果只是爱美科付出多年心力的一小部分,有多组来自爱美科不同部门和各地的研究团队,以及爱美科合作夥伴们叁与其中。


三位来自爱美科的研究计画主持人将在本文进一步说明该研究的细节、研究结果与未来进展。他们分别是使用者介面与影像感测器计画负责人Pawel Malinowski、像素装置研究团队组长Pierre Boulenc,以及薄膜技术研究团队组长David Cheyns。


你的手机相机也是投影机

在开始探讨技术细节前,先来简短地岔开个专业话题,聊聊智慧型手机相机如何运作吧!显而易见的是,这些相机可以侦测可见光,且多亏了手电筒,还能发射可见光。


但有些人可能就没发现,手机相机还能感测到不可见光的光谱。他们不只是感测器,还是投影机。对於像是脸部辨识的应用来说,智慧型手机相机根据红外线发射出点矩阵图型,并捕捉来自使用者脸部的反射。如果想证明手机相机的IR感测能力,可以把(电视)遥控器对准手机相机,同时按下其中一颗按钮,就会看到手机相机感测到肉眼不可见的光。这道光就来自遥控器的红外线讯号。如果想确认遥控器是否没电,这个测试也是三十六计中的一小计。


通常,用来处理脸部辨识解锁功能的手机相机会调谐至近红外线(near infrared;NIR)光谱,更确切来说,就是940nm波段。这段光波会被水吸收,例如大气层。也就是说,运用NIR并不太会接收到环境杂讯或来自太阳光的辐射干扰。


虽然人的肉眼不能有意识地「看见」NIR,但它对这段光波还是敏感的。因此,发射NIR讯号的功率受到限制,进而导致在大白天有效应用该讯号的距离与效率受限。脸部辨识功能最远只能在手臂长的距离运作,对於更高阶应用,像是物件和空间的3D扫描,从光学角度来说,就无法远距运作。


传统CMOS半导体感测不到1μm以上波段

针对这些扫描与感测应用,较理想的运作频段会移至SWIR波段。在此,1450nm波段因会被水吸收而具备相似的优点,但功率限制却减少了,因为肉眼对此段光波的敏感度低了好几个数量级。


此外,SWIR光谱中有1550nm波段。该波段和940nm及1450nm完全相反,可以完全穿透水,因此,可以让人看穿雾、云、烟和水蒸气。这些波段能够设计出具备更远距且更高感测能力的设备,例如,在(自驾)交通工具应用中,能够实现飞越云层和在天气不隹状态下驾驶。


不幸的是,对影像感测器和应用开发者来说,矽光电二极体无法感测到波长1μm以上的光波。对光子来说,基础矽材料在该频段是透明的。因为这些物理限制,传统CMOS感测器感测不到SWIR辐射。


解决此问题的一个着名方法是利用能让电子被低能光子激发的半导体。举例而言,利用基於InGaAs或其他三五族材料的感测器。虽说相关技术已开发得相当成熟,但他们仍无法实现消费性应用所需之生产量,此外,这些技术的系统整合并不简单。这让量产相关产品的成本变得过於高昂。


薄膜让感测1450nm和1550nm SWIR变得经济实惠

因此,爱美科想出了一套解决方案,实现基於CMOS的SWIR感测功能,且成本水准和矽制程相同。要实现这个目标,关键推手就是薄膜光感测技术(thin-film photodetectors;TFPD):该技术让整体厚度仅数百奈米的多层堆叠元件,其中一层能够感测到IR。透过将这些堆叠元件进行後处理,放至矽CMOS读取电路,爱美科整合了两边的优点,以CMOS相容的制程实现红外线感测功能。



图一 : 藉由将薄膜多层堆叠元件进行加工,在矽读取电路(readout circuitry;ROIC)形成一层红外线范围的光敏感层(图右),爱美科创造出可量产的CMOS IR感测器(图左)。
图一 : 藉由将薄膜多层堆叠元件进行加工,在矽读取电路(readout circuitry;ROIC)形成一层红外线范围的光敏感层(图右),爱美科创造出可量产的CMOS IR感测器(图左)。

有关适合制造该薄膜的材料,爱美科正在研究多个选项,涵盖范围从高分子与小分子有机材料,至无机胶态量子点层。就目前来说,後者最具前瞻性,因为量子点本身具备可调性和低能隙。


至今为止,爱美科已建构的几个最成功的原型和示范设备都使用硫化铅(PbS)量子点材料。其中,铅的使用量仍维持在欧盟《关於限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(Restrictions of Hazardous Substances;ROHS)规范的限制内,使得这些原型和示范设备适合投入生产。尽管如此,爱美科仍计划开发完全无铅的替代选择,并持续研究中。


渐进应用蓝图


图二 : 以爱美科渐进应用蓝图为目标的设计选择示意图。图左:基础IR感测器;图中:整合IR感测功能的可见光影像感测器;图右:藉由可调式TFPD层实现的多光谱IR感测元件架构。
图二 : 以爱美科渐进应用蓝图为目标的设计选择示意图。图左:基础IR感测器;图中:整合IR感测功能的可见光影像感测器;图右:藉由可调式TFPD层实现的多光谱IR感测元件架构。

考量到未来应用和产品整合需求,爱美科采取阶段式的应用手段。首先,基於单一TFPD堆叠元件的单色红外线影像感测器先被开发出来,并以独立裸晶或独立功能性进行系统级整合。此第一阶段最为简单,因为用的是薄膜光感测堆叠元件中普通的无图形层。在此情况下,除非使用特定滤光片,所有像素都会拥有相同的吸收光谱。


潜在应用包含智慧型手机相机的脸部感测器波长延伸,容许在不增加系统级成本和复杂度的情况下将感测波段延长至1450nm。尤其对AR来说,这项应用可能会实现以房间为单位的感测与应用,成为重要的应用选择。



图三 : AR可能受惠於1450nm相容的IR感测技术,以达成更远的应用距离,像是全室扫描。
图三 : AR可能受惠於1450nm相容的IR感测技术,以达成更远的应用距离,像是全室扫描。

在第二阶段,爱美科聚焦将单石积体TFPD堆叠元件放至CMOS感测器上的RGB像素组合。在此设计中,红外线子像素可加至传统红绿蓝光电二极体旁。这代表着不再需要装设用来提供IR感测功能的独立感测器,进而减少系统尺寸和功耗。


此外,这层子像素也能新增一层资讯层给可见光相机。试想,像是一般常见相机就能具备深度感测能力。


第三阶段则在单片像素组成的设计概念基础上进一步开发,结合多个TFPD堆叠元件与不同的活性材料。如此组态能实现NIR和SWIR范围中像素级多光谱感测器的开发,且尺寸致密、价格点也落在矽影像感测器市场中。


应用潜能可能浮现在需要长距感测能力的自驾交通工具上,或者,在天气不隹或微光的情况下仍需可见度时,具备1450nm和1550nm感测能力的TFPD能分别满足上述需求。另一个例子是材料拣选应用,在这类应用中,将像素调谐至特性波长能增加材料测定能力,像是区分植被和建筑物、天然或人造植物。


相机展现系统级处理的绝技

透过本研究,爱美科开创了连结IR和影像感测器的桥梁,这两个领域在研讨会和出版物等方面,目前不过是相当例外地被混为一谈。而且,为了将这些设计和理论概念带进产业的技术中,爱美科的专长横跨自材料设计到系统整合的完整范围。



图四 : 爱美科将SWIR影像感测器整合至相机的示范装置。该感测器包含了在矽CMOS读取电路上加工处理的薄膜光感测器。
图四 : 爱美科将SWIR影像感测器整合至相机的示范装置。该感测器包含了在矽CMOS读取电路上加工处理的薄膜光感测器。

就第一个概念「单色IR感测器」而言,爱美科已成功将完整的端到端原型整合至相机。首先,在晶圆厂加工处理200mm读取电路晶圆,後处理和TFDP(裸晶级和晶圆级)整合,以及晶片封装和建立相机模组则在爱美科实验室执行。至於後面两个单片设计概念,都还在研究初期,两者的理想和发展蓝图类似。


备妥技转与建立研发夥伴关系


图五 : 300mm研发平台
图五 : 300mm研发平台

技术的当前现况是由数年研发累积而来,受到各种爱美科内部和外部的团队和夥伴支持。例如,本计画的执行有部分受到国际创业机构VLAIO的策略基础研究计划MIRIS的支持,而相关发展和影像感测产业有紧密的夥伴合作关系。


(本文由爱美科授权刊登;作者Pawel Malinowski1、Pierre Boulenc2和David Cheyns3为爱美科1使用者介面与影像感测器计画负责人、2像素装置研究团队组长,以及3薄膜技术研究团队组长;编译/吴雅婷)


**刊头图(source:image-sensors-world.blogspot.com)


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