Dankzij gebundelde kennis, gaande van materialen over procestechnologie tot systeemintegratie, heeft imec belangrijke doorbraken gerealiseerd in de mogelijkheden van silicium-gebaseerde CMOS-beeldsensoren om kortegolf-infraroodstraling te detecteren met golflengtes boven een micrometer. Deze golflengtes (bv. de 1450nm- en 1550nm-frequenties) zijn belangrijk voor toepassingen zoals computervisie in smartphonecamera’s. Maar vanwege hun optische beperkingen zijn deze golflengtes normaal gezien onzichtbaar voor dergelijke CMOS-camera’s. Een gangbare manier om dit op te lossen, is om gebruik te maken van andere materialen dan silicium (bijvoorbeeld InGaAs). Maar dergelijke oplossingen zijn te duur voor massaproductie in consumentenapparaten. Dankzij dunnefilm-fotodetectortechnologie (thin-film photodetector; TFPD) is imec er toch in geslaagd om silicium-gebaseerde CMOS-infraroodsensoren te maken aan een kostprijs vergelijkbaar met conventionele CMOS-beeldsensoren. Als resultaat van meerdere jaren onderzoek over verschillende departementen heen demonstreert imec de technologie nu in een werkende camera. Imec-onderzoekers Pawel Malinowski, program manager user interfaces & imagers, Pierre Boulenc, team leader pixel devices, en David Cheyns, team leader thin-film technologies geven meer inzicht in het onderzoek, de resultaten en de geplande ontwikkelingen.
De camera van je smartphone is ook een projector
Alvorens in de technische details te duiken is het misschien nuttig om even wat basiskennis mee te geven van hoe een smartphonecamera werkt. Voor iedereen vanzelfsprekend, is dat deze zichtbaar licht kan detecteren en uitzenden (dankzij de flitslamp).
Voor sommigen mogelijk minder vanzelfsprekend, is dat je smartphone-camera ook actief is in het niet-zichtbare lichtspectrum. En niet alleen als detector, maar ook als projector. Voor toepassingen zoals gezichtsherkenning projecteert je smartphone een raster van infraroodpunten en detecteert de weerkaatsing ervan op je gezicht. Wie bewijs wil van deze infraroodwerking, kan aan de slag met de afstandsbediening van bijvoorbeeld de tv. Richt de afstandsbediening op je smartphonecamera terwijl je op een van de knoppen duwt en je zal merken dat je camera licht detecteert wat je met je eigen ogen niet kan zien. Dit is het infraroodsignaal van je afstandsbediening. En meteen een handig trucje om te controleren of de batterijen ervan niet leeg zijn…
De meest gangbare frequentie voor mobiele toepassingen zoals gezichtsherkenning bevindt zich in het nabij infrarood (near infrared; NIR), meer specifiek op 940nm. Deze golflengte wordt geabsorbeerd door water, bijvoorbeeld in de atmosfeer, waardoor je weinig ruis of interferentie hebt van infraroodstraling afkomstig van de zon. Belangrijk is wel dat het menselijk oog wel degelijk een bepaalde gevoeligheid heeft voor deze straling. Ook al kan je ze niet bewust waarnemen zoals zichtbaar licht. Dit legt dan ook beperkingen op aan de toepassingen ervan. Omdat je maar een bepaalde sterkte kan uitzenden, kan je maar over een beperkte afstand detecteren en ook minder goed opboksen tegen fel daglicht. Gezichtsherkenning werkt daarom bij maximaal een armlengte en ook meer geavanceerde toepassingen zoals het 3D-scannen van objecten en ruimtes werken niet optimaal bij grotere afstanden.
Standaard silicium CMOS-sensoren zijn ‘blind’ boven 1 micrometer
Een idealere frequentieband voor deze toepassingen zou kortegolf-infrarood zijn (SWIR). In deze band heeft de 1450nm-frequentie namelijk dezelfde eigenschap als 940nm (= ze wordt door water geabsorbeerd), maar zonder de beperkingen. Het menselijk oog is namelijk enkele grootteordes minder gevoelig voor 1450nm dan voor 940nm. Ook in het SWIR-spectrum ligt de 1550nm-band. In tegenstelling tot 940nm en 1450nm wordt deze dan weer helemaal niet geabsorbeerd door water. Dus door gebruik te maken van deze frequentie kan je doorheen wolken, mist, rook en waterdamp kijken. Door de combinatie van deze frequenties kan je dus apparaten maken die verder kunnen kijken en extra functionaliteiten hebben: bijvoorbeeld in (autonome) voertuigen die door wolken moeten vliegen of in slechte weersomstandigheden moeten rijden.
Jammer genoeg kunnen silicium fotodiodes geen golflengtes detecteren boven een micrometer. Omdat silicium transparant is voor fotonen in dit spectrum zijn standaard CMOS-beeldsensoren dus blind voor SWIR-straling. Een gangbare oplossing hiervoor is om halfgeleiders te gebruiken waarvan de elektronen wel kunnen aangeslagen worden door deze fotonen met een lagere energie. Bijvoorbeeld sensoren gebaseerd op InGaAs of andere III-V-materialen. Deze technologie is al relatief goed ontwikkeld, maar haalt niet de snelheid die vereist is voor massaproductie. En ook de integratie op systeemniveau is niet zo eenvoudig. Met als gevolg dat deze oplossing te duur is voor consumententoepassingen.
Dunnefilmtechnologie maakt kortegolf-infrarooddetectie mogelijk aan aanvaardbare kostprijs
Imec heeft daarom een oplossing gevonden om CMOS-gebaseerde SWIR-detectie te kunnen doen aan het prijsniveau van siliciumprocessing. Een sleutelrol daarin is weggelegd voor dunnefilm-fotodetectoren (TFPD): een constructie van in totaal enkele honderden nanometer dik; bestaande uit meerdere lagen, waaronder een die gevoelig is voor infrarood. Door deze IR-gevoelige dunne film aan te brengen bovenop een CMOS-uitleescircuit combineert imec het beste van de twee werelden: infrarood-detectie via een productieproces dat compatibel is met massaproductie.
Rechts: Dunne film, bestaande uit meerdere lagen, waaronder een die gevoelig is voor infrarood. Links: Integratie van deze dunne film in een CMOS-gebaseerde beeldsensor maakt massaproductie van SWIR-sensoren mogelijk.
Op het vlak van materialen voor deze dunne films onderzoekt imec meerdere opties, gaande van organische materialen (polymeren en kleine molecules) tot lagen van anorganische colloïdale quantum-dots (kleine halfgeleiderdeeltjes van enkele nanometers groot, die optische en elektronische eigenschappen hebben die door kwantummechanica verschillen van grotere deeltjes). Deze laatste zijn momenteel meest veelbelovend omdat de optische eigenschappen van quantum dots sowieso gunstig zijn voor fotonen met lagere energie en daarenboven kunnen aangepast worden aan de specifieke frequentie die je wil detecteren. Momenteel bouwde imec de meeste prototypes en demonstrators op basis van PbS-gebaseerde quantum-dot materialen. Waarbij de hoeveelheden lood ruim binnen de grenzen blijven van de Europese ROHS-richtlijn en gelijkaardige wetgevingen en de ontwikkelde technologie dus zonder probleem op de markt gebracht kan worden. Wat niet wegneemt dat imec ook volledig loodvrije alternatieven onderzoekt.
Stapsgewijs naar meer uitgebreide toepassingen
Schematisch overzicht van de ontwerpkeuzes in imecs stapsgewijze doorontwikkeling. Links: eenvoudige IR-detector. Midden: IR-detector geïntegreerd in zichtbaar-licht sensor. Rechts: multispectrale IR-detectie dankzij aangepaste dunnefilm-fotodetectoren.
Met het oog op toekomstige toepassingen volgt imec een stapsgewijze doorontwikkeling. In eerste instantie maakt imec monochrome infrarood beeldsensoren op basis van een TFPD-multilaag over het gehele CMOS-uitleescircuit. Dit is de meest eenvoudige implementatie, omdat je geen patronen dient aan te brengen. In deze opzet krijg je een sensor die gevoelig is voor de specifieke frequentie die wordt geabsorbeerd door de dunnefilm-laag, tenzij je gebruik maakt van extra filters. Mogelijke toepassing voor dergelijke sensoren is het uitbreiden van de gevoeligheid van smartphonecamera’s voor de 1450nm-frequentie zonder teveel extra kost of complexiteit op systeemniveau. Met name voor augmented reality kan dit al een waardevolle oplossing zijn voor toepassingen die een gehele ruimte willen scannen.
Augmented reality kan onmiddellijk voordeel halen uit 1450nm-gevoelige IR-sensoren voor de verbetering van toepassingen op grotere afstand, zoals het scannen van een gehele ruimte.
In een tweede scenario richt imec zich op een monolitische integratie van IR-gevoelige TFPD-lagen in de normale RGB-gevoelige pixelopbouw van de CMOS-sensor. In dit ontwerp voeg je een infrarood subpixel toe naast de rode, groene en blauwe fotodiodes. Op systeemniveau heb je dan dus geen extra chip meer nodig in je smartphone (of ander apparaat), waardoor je plaats bespaart en ook minder energie vraagt van de batterij. Ook krijg je hierdoor extra functionaliteit in je camera en zou je bijvoorbeeld diepte-informatie (perspectief) kunnen toevoegen aan 2D-beelden.
Het derde ontwerp bouwt voort op dit principe en combineert meerdere IR-pixels op basis van TFPD-materialen met een verschillende gevoeligheid. In deze opzet kan je sterk geminiaturiseerde en betaalbare multispectrale sensoren maken die zowel gevoelig zijn voor NIR als voor SWIR. Met mogelijke toepassing in (autonome) voertuigen die over lange afstanden moeten scannen (via de 1450nm-band) en ook in slechte omstandigheden kunnen kijken (via de 1550nm-band). Een andere mogelijke toepassing is kwaliteitscontrole en sorteren van voedsel of andere materialen en producten, omdat je dankzij de keuze van de TFPD-materialen sensoren kan maken met een gevoeligheid voor een specifiek materiaal (bv. onderscheid maken tussen vegetatie en gebouwen of tussen echte en namaakplanten).
Camera toont expertise van materiaal- tot systeemniveau
Met dit onderzoekt loopt imec voorop in het verbinden van de werelden van IR- en beeldsensoren: twee werelden die elkaar op het vlak van wetenschappelijke conferenties en publicaties bijvoorbeeld nog eerder uitzonderlijk ontmoeten. Ook ligt de sterkte van imec in de breedte waarmee het dit onderzoek kan aanpakken: met expertise die begint bij de materialen en de hele weg overbrugt tot systeemintegratie.
Imecs camera-geïntegreerde demonstratieopstelling van een SWIR-beeldsensor bestaande uit een dunnefilm-fotodetector aangebracht op een Si-CMOS-uitleescircuit.
Voor het eerste ontwerp – de monochrome IR-sensor – heeft imec al een werkende integratie gebouwd in een camera. Vertrekkende van een uitleescircuit gemaakt op 200mm-wafers in een industriële foundry. Het nadien aanbrengen van de TFPD-lagen (op chip- of waferniveau), de chipverpakking en de opbouw van de cameramodule gebeurde in imecs eigen fabs.
De twee andere concepten zijn nog in een vroeger stadium van ontwikkeling, maar ook daar is de ambitie gelijkaardig: om te komen tot een demonstratie op systeemniveau.
Klaar voor overdracht naar de industrie
De huidige status van het onderzoek volgt uit meerdere jaren onderzoek en ontwikkeling van meerdere teams en partners binnen en buiten imec. Zo werd een deel van het onderzoek ondersteund door het VLAIO SBO-project “MIRIS” en gebeuren de ontwikkelingen in nauwe samenwerking met de beeldsensorindustrie.
Imec heeft de ambitie om een dunnefilm-beeldsensorplatform op te bouwen als enkelvoudig aanspreekpunt voor de volledige overdracht van deze technologie naar industriële toepassingen. Imec wil hierin ook een verscheidenheid aan industriële partners betrekken om samen te werken met de interne teams.
Meer weten?
- Meer info over dit onderzoek vind je terug op deze webpagina
- Het persbericht "Imec reports monolithic thin-film image sensor for the SWIR range with record pixel density” vind je terug via de directe link of via deze pagina.
