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讓智慧型手機和自駕交通工具看見不可見
洞悉基於矽的短波紅外線CMOS感測技術

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

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愛美科提出了相機整合解決方案,使得基於矽的CMOS感測器能夠感測短波紅外線(short-wave infrared;SWIR)波長,這些感測器原本受限於物理和光學定律,通常無法感測到這些波段。此舉可能將開啟擴增實境(augmented reality;AR)、機器視覺和自駕交通工具等應用的功能性擴充之路。


由於愛美科跨部門進行了材料開發、半導體處理技術和系統級設計等面向的研究,他們在基於矽的CMOS影像感測器性能上實現了的重大突破,能夠感測到1μm以上的SWIR波長。這些波段—例如1450nm和1550nm波段,對於像是行動裝置的電腦視覺等應用的發展而言十分重要。然而,由於光學限制,這些波段對於基於矽的裝置來說通常是不可視的。傳統的解決方法利用三五族材料,像是砷化銦鎵(InGaAs),就能克服此感測障礙,但卻不符合消費性裝置市場可接受的價格點。


多虧了薄膜光感測技術(thin-film photodetector;TFPD),愛美科現已開發出端到端的解決方案,能以傳統CMOS影像感測器的價格點打造出基於矽的CMOS紅外線(infrared;IR)感測器。首批研究結果已經以近乎系統級的相機整合解決方案展示。這些結果只是愛美科付出多年心力的一小部分,有多組來自愛美科不同部門和各地的研究團隊,以及愛美科合作夥伴們參與其中。


三位來自愛美科的研究計畫主持人將在本文進一步說明該研究的細節、研究結果與未來進展。他們分別是使用者介面與影像感測器計畫負責人Pawel Malinowski、像素裝置研究團隊組長Pierre Boulenc,以及薄膜技術研究團隊組長David Cheyns。


你的手機相機也是投影機

在開始探討技術細節前,先來簡短地岔開個專業話題,聊聊智慧型手機相機如何運作吧!顯而易見的是,這些相機可以偵測可見光,且多虧了手電筒,還能發射可見光。


但有些人可能就沒發現,手機相機還能感測到不可見光的光譜。他們不只是感測器,還是投影機。對於像是臉部辨識的應用來說,智慧型手機相機根據紅外線發射出點矩陣圖型,並捕捉來自使用者臉部的反射。如果想證明手機相機的IR感測能力,可以把(電視)遙控器對準手機相機,同時按下其中一顆按鈕,就會看到手機相機感測到肉眼不可見的光。這道光就來自遙控器的紅外線訊號。如果想確認遙控器是否沒電,這個測試也是三十六計中的一小計。


通常,用來處理臉部辨識解鎖功能的手機相機會調諧至近紅外線(near infrared;NIR)光譜,更確切來說,就是940nm波段。這段光波會被水吸收,例如大氣層。也就是說,運用NIR並不太會接收到環境雜訊或來自太陽光的輻射干擾。


雖然人的肉眼不能有意識地「看見」NIR,但它對這段光波還是敏感的。因此,發射NIR訊號的功率受到限制,進而導致在大白天有效應用該訊號的距離與效率受限。臉部辨識功能最遠只能在手臂長的距離運作,對於更高階應用,像是物件和空間的3D掃描,從光學角度來說,就無法遠距運作。


傳統CMOS半導體感測不到1μm以上波段

針對這些掃描與感測應用,較理想的運作頻段會移至SWIR波段。在此,1450nm波段因會被水吸收而具備相似的優點,但功率限制卻減少了,因為肉眼對此段光波的敏感度低了好幾個數量級。


此外,SWIR光譜中有1550nm波段。該波段和940nm及1450nm完全相反,可以完全穿透水,因此,可以讓人看穿霧、雲、煙和水蒸氣。這些波段能夠設計出具備更遠距且更高感測能力的設備,例如,在(自駕)交通工具應用中,能夠實現飛越雲層和在天氣不佳狀態下駕駛。


不幸的是,對影像感測器和應用開發者來說,矽光電二極體無法感測到波長1μm以上的光波。對光子來說,基礎矽材料在該頻段是透明的。因為這些物理限制,傳統CMOS感測器感測不到SWIR輻射。


解決此問題的一個著名方法是利用能讓電子被低能光子激發的半導體。舉例而言,利用基於InGaAs或其他三五族材料的感測器。雖說相關技術已開發得相當成熟,但他們仍無法實現消費性應用所需之生產量,此外,這些技術的系統整合並不簡單。這讓量產相關產品的成本變得過於高昂。


薄膜技術讓感測1450nm和1550nm SWIR變得經濟實惠

因此,愛美科想出了一套解決方案,實現基於CMOS的SWIR感測功能,且成本水準和矽製程相同。要實現這個目標,關鍵推手就是薄膜光感測技術(thin-film photodetectors;TFPD):該技術讓整體厚度僅數百奈米的多層堆疊元件,其中一層能夠感測到IR。透過將這些堆疊元件進行後處理,放至矽CMOS讀取電路,愛美科整合了兩邊的優點,以CMOS相容的製程實現紅外線感測功能。



圖一 : 藉由將薄膜多層堆疊元件進行加工,在矽讀取電路(readout circuitry;ROIC)形成一層紅外線範圍的光敏感層(圖右),愛美科創造出可量產的CMOS IR感測器(圖左)。
圖一 : 藉由將薄膜多層堆疊元件進行加工,在矽讀取電路(readout circuitry;ROIC)形成一層紅外線範圍的光敏感層(圖右),愛美科創造出可量產的CMOS IR感測器(圖左)。

有關適合製造該薄膜的材料,愛美科正在研究多個選項,涵蓋範圍從高分子與小分子有機材料,至無機膠態量子點層。就目前來說,後者最具前瞻性,因為量子點本身具備可調性和低能隙。


至今為止,愛美科已建構的幾個最成功的原型和示範設備都使用硫化鉛(PbS)量子點材料。其中,鉛的使用量仍維持在歐盟《關於限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》(Restrictions of Hazardous Substances;ROHS)規範的限制內,使得這些原型和示範設備適合投入生產。儘管如此,愛美科仍計劃開發完全無鉛的替代選擇,並持續研究中。


漸進應用藍圖


圖二 : 以愛美科漸進應用藍圖為目標的設計選擇示意圖。圖左:基礎IR感測器;圖中:整合IR感測功能的可見光影像感測器;圖右:藉由可調式TFPD層實現的多光譜IR感測元件架構。
圖二 : 以愛美科漸進應用藍圖為目標的設計選擇示意圖。圖左:基礎IR感測器;圖中:整合IR感測功能的可見光影像感測器;圖右:藉由可調式TFPD層實現的多光譜IR感測元件架構。

考量到未來應用和產品整合需求,愛美科採取階段式的應用手段。首先,基於單一TFPD堆疊元件的單色紅外線影像感測器先被開發出來,並以獨立裸晶或獨立功能性進行系統級整合。此第一階段最為簡單,因為用的是薄膜光感測堆疊元件中普通的無圖形層。在此情況下,除非使用特定濾光片,所有像素都會擁有相同的吸收光譜。


潛在應用包含智慧型手機相機的臉部感測器波長延伸,容許在不增加系統級成本和複雜度的情況下將感測波段延長至1450nm。尤其對AR來說,這項應用可能會實現以房間為單位的感測與應用,成為重要的應用選擇。



圖三 : AR可能受惠於1450nm相容的IR感測技術,以達成更遠的應用距離,像是全室掃描。
圖三 : AR可能受惠於1450nm相容的IR感測技術,以達成更遠的應用距離,像是全室掃描。

在第二階段,愛美科聚焦將單石積體TFPD堆疊元件放至CMOS感測器上的RGB像素組合。在此設計中,紅外線子像素可加至傳統紅綠藍光電二極體旁。這代表著不再需要裝設用來提供IR感測功能的獨立感測器,進而減少系統尺寸和功耗。


此外,這層子像素也能新增一層資訊層給可見光相機。試想,像是一般常見相機就能具備深度感測能力。


第三階段則在單片像素組成的設計概念基礎上進一步開發,結合多個TFPD堆疊元件與不同的活性材料。如此組態能實現NIR和SWIR範圍中像素級多光譜感測器的開發,且尺寸緻密、價格點也落在矽影像感測器市場中。


應用潛能可能浮現在需要長距感測能力的自駕交通工具上,或者,在天氣不佳或微光的情況下仍需可見度時,具備1450nm和1550nm感測能力的TFPD能分別滿足上述需求。另一個例子是材料揀選應用,在這類應用中,將像素調諧至特性波長能增加材料測定能力,像是區分植被和建築物、天然或人造植物。


相機展現系統級處理的絕技

透過本研究,愛美科開創了連結IR和影像感測器的橋樑,這兩個領域在研討會和出版物等方面,目前不過是相當例外地被混為一談。而且,為了將這些設計和理論概念帶進產業的技術中,愛美科的專長橫跨自材料設計到系統整合的完整範圍。



圖四 : 愛美科將SWIR影像感測器整合至相機的示範裝置。該感測器包含了在矽CMOS讀取電路上加工處理的薄膜光感測器。
圖四 : 愛美科將SWIR影像感測器整合至相機的示範裝置。該感測器包含了在矽CMOS讀取電路上加工處理的薄膜光感測器。

就第一個概念「單色IR感測器」而言,愛美科已成功將完整的端到端原型整合至相機。首先,在晶圓廠加工處理200mm讀取電路晶圓,後處理和TFDP(裸晶級和晶圓級)整合,以及晶片封裝和建立相機模組則在愛美科實驗室執行。至於後面兩個單片設計概念,都還在研究初期,兩者的理想和發展藍圖類似。


備妥技轉與建立研發夥伴關係


圖五 : 300mm研發平台
圖五 : 300mm研發平台

技術的當前現況是由數年研發累積而來,受到各種愛美科內部和外部的團隊和夥伴支持。例如,本計畫的執行有部分受到國際創業機構VLAIO的策略基礎研究計劃MIRIS的支持,而相關發展和影像感測產業有緊密的夥伴合作關係。


(本文由愛美科授權刊登;作者Pawel Malinowski1、Pierre Boulenc2和David Cheyns3為愛美科1使用者介面與影像感測器計畫負責人、2像素裝置研究團隊組長,以及3薄膜技術研究團隊組長;編譯/吳雅婷)


**刊頭圖(source:image-sensors-world.blogspot.com)


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