Het licht zien voorbij het zichtbare: imec vindt een manier om autonome auto’s zelfs door rook en mist heen te laten kijken

Met de succesvolle integratie van een gepinde fotodiodestructuur in dunne-film beeldsensoren, wordt het potentieel van lichtdetectie voorbij het zichtbare ontsloten op een kostenefficiënte manier. De resultaten van recent onderzoek door imec, een wereldleidende onderzoeks- en innovatiehub in nano-elektronica en digitale technologieën, werden gepubliceerd in Nature Electronics. Met de toevoeging van een pinned photogate en een transfer gate kunnen de absorptiekwaliteiten van dunne-film imagers – voorbij één µm golflengte – eindelijk benut worden, beweert imec.

Het detecteren van golflengtes voorbij zichtbaar licht, bijvoorbeeld infrarood licht, biedt duidelijke voordelen. Toepassingen zijn onder andere camera’s in autonome voertuigen om door rook of mist te ‘zien’ en camera’s om je smartphone te ontgrendelen via gezichtsherkenning. Terwijl zichtbaar licht kan worden gedetecteerd met op silicium gebaseerde beeldvormers, zijn andere halfgeleiders nodig voor langere golflengten, zoals kortgolvig infrarood (SWIR).

Het gebruik van III-V-materialen kan deze detectiebeperking overwinnen. De productie van deze absorbers is echter duur, wat het gebruik ervan beperkt. Sensoren die gebruik maken van dunne-film absorbers (zoals kwantumdots) zijn daarentegen recentelijk naar voren gekomen als een veelbelovend alternatief. Deze hebben superieure absorptiekarakteristieken en potentieel voor integratie met conventionele (CMOS) uitleescircuits. Dergelijke infraroodsensoren hebben echter een inferieure ruisprestatie, wat leidt tot een slechtere beeldkwaliteit.

Al in de jaren 1980 werd de PPD-structuur (pinned photodiode) geïntroduceerd voor silicium-CMOS-beeldsensoren. Deze structuur introduceert een extra transistorpoort en een speciale fotodetectorstructuur, waardoor de ladingen volledig kunnen worden afgevoerd voordat de integratie begint (waardoor reset-werking mogelijk is zonder kTC-ruis of het effect van het vorige frame). Bijgevolg domineren PPD’s de consumentenmarkt voor beeldsensoren op basis van silicium vanwege de lagere ruis en de verbeterde energieprestaties. Buiten de beeldverwerking met silicium was het tot nu toe niet mogelijk om deze structuur in te bouwen omdat het moeilijk is om twee halfgeleidersystemen te hybridiseren.

Nu demonstreert imec de succesvolle integratie van een PPD-structuur in het uitleescircuit van op dunne film gebaseerde beeldsensoren, de eerste in zijn soort. Een SWIR kwantumdot fotodetector werd monolithisch gehybridiseerd met een indium-gallium-zinkoxide (IGZO)-gebaseerde dunne-filmtransistor tot een PPD-pixel. Deze array werd vervolgens verwerkt op een CMOS-uitleescircuit om een superieure dunne-film SWIR-beeldsensor te vormen. “Het prototype van de 4T beeldsensor toonde een opmerkelijk lage uitleesruis van 6.1e-, vergeleken met >100e- voor de conventionele 3T sensor, wat de superieure ruisprestatie aantoont,” verklaarde Nikolas Papadopoulos, projectleider ‘Thin-Film Pinned Photodiode’ bij imec. Het resultaat is dat infraroodbeelden kunnen worden vastgelegd met minder ruis, vervorming of interferentie, en met meer nauwkeurigheid en detail.

Pawel Malinowski, imec Programma Manager van ‘Pixel Innovations’ voegt hieraan toe: “Bij imec lopen we voorop in het overbruggen van de werelden van infrarood en imagers, dankzij onze gecombineerde expertise in dunnefilm fotodiodes, IGZO, beeldsensoren en dunnefilm transistoren. Door deze mijlpaal te bereiken, hebben we de huidige beperkingen van de pixelarchitectuur overtroffen en een manier gedemonstreerd om de best presterende quantum-dot SWIR-pixel te combineren met betaalbare productie. Toekomstige stappen zijn onder andere het optimaliseren van deze technologie in verschillende typen dunnefilm fotodiodes en het verbreden van de toepassing in sensoren buiten de silicium beeldvorming.”