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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)

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.

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