imec提出以亞微米像素尺寸分離顏色的新方法賦能CMOS圖像傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，在美國(guó)加利福尼亞州舊金山舉行的國(guó)際電子器件會(huì)議（IEEE IEDM 2023）上，比利時(shí)納米電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)研究與創(chuàng)新中心imec展示了一種“在300mm晶圓上使用標(biāo)準(zhǔn)后端制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)以亞微米像素尺寸分離顏色”新方法。

imec表示，該技術(shù)有望提升高端攝像頭的性能——提供更高的信噪比、增強(qiáng)的色彩質(zhì)量以及前所未有的空間分辨率。

設(shè)計(jì)下一代CMOS圖像傳感器需要在收集所有入射光子、實(shí)現(xiàn)低至光子尺寸或衍射極限的分辨率、準(zhǔn)確記錄光顏色之間取得平衡。

像素上集成拜爾（Bayer）濾色鏡的傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器在結(jié)合所有三個(gè)要求方面仍然受到限制。雖然較高的像素密度會(huì)提高整體圖像分辨率，但較小的像素捕獲的光子更少，并且容易出現(xiàn)因從相鄰像素插值顏色值而產(chǎn)生的偽影。

盡管基于衍射的分色器代表了提高顏色靈敏度和捕獲光子方面的飛躍，但它們?nèi)匀粺o(wú)法提高圖像分辨率。

imec現(xiàn)在提出了一種全新的方法，使用標(biāo)準(zhǔn)后端制造工藝以亞微米像素尺寸（即超出基本阿貝衍射極限）分離顏色。據(jù)說(shuō)該新方法通過(guò)收集幾乎所有的光子、利用非常小的像素提高分辨率以及真實(shí)地渲染顏色，為下一代CMOS圖像傳感器“勾選了所有的選項(xiàng)方框”。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，imec研究人員在SiO2基質(zhì)中構(gòu)建了垂直Si3N4多模波導(dǎo)陣列。該波導(dǎo)具有錐形、衍射極限尺寸的配置，用于收集所有的入射光。

用于BY-CR成像中顏色分離的垂直波導(dǎo)陣列3D可視化（左）和TEM橫截面（右）

imec科學(xué)主任Jan Genoe教授說(shuō)道：“在每個(gè)波導(dǎo)中，入射光子都會(huì)激發(fā)對(duì)稱和非對(duì)稱模式，它們以不同的方式通過(guò)波導(dǎo)傳播，從而導(dǎo)致給定頻率的兩種模式之間出現(xiàn)獨(dú)特的‘拍頻’模式。這種拍頻模式可以在波導(dǎo)末端實(shí)現(xiàn)與特定顏色相對(duì)應(yīng)的空間分離。”

imec分色器工作原理（左）和新型波導(dǎo)陣列（右）

imec表示，每個(gè)波導(dǎo)的總輸出光預(yù)計(jì)可達(dá)到人類色彩感知范圍（波長(zhǎng)范圍400-700nm）內(nèi)的90%以上，這使其優(yōu)于現(xiàn)有的拜耳濾色鏡。

imec主要技術(shù)人員Robert Gehlhaar表示：“由于該技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)300mm晶圓制造兼容，因此可以經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)分色器。這使得高分辨率CMOS圖像傳感器能夠進(jìn)一步發(fā)展，最終目標(biāo)是檢測(cè)每個(gè)入射光子及其屬性。

imec表示：“我們的目標(biāo)是成為具有衍射極限分辨率的彩色成像的未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)制定者。歡迎行業(yè)合作伙伴加入我們，共同邁向CMOS圖像傳感器的未來(lái)之路?！?/p>

審核編輯：劉清