可見(jiàn)光與短波紅外（SWIR）的高光譜成像以往均需要昂貴的多芯片或多攝像頭解決方案才能實(shí)現(xiàn)，且短波紅外的分辨率較低。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，索尼研究人員今年通過(guò)MEMS銅-銅鍵合工藝解決了這一難題。

近年來(lái)，人們對(duì)短波紅外（在1000到2000納米之間）波段的成像需求不斷攀升。這些短波紅外傳感器在食品檢驗(yàn)等行業(yè)至關(guān)重要，它們可以提供探測(cè)物體內(nèi)部的能力，例如，可通過(guò)早期探測(cè)蘋(píng)果瘀傷，來(lái)防止整個(gè)蘋(píng)果變壞（如圖1a）。

類(lèi)似地，可以探測(cè)物質(zhì)反射的特征短波紅外波長(zhǎng)（如圖1b）并防止有毒食品污染物進(jìn)入供應(yīng)鏈。這樣就可以利用這種非常經(jīng)濟(jì)且高效的工具，來(lái)識(shí)別出復(fù)雜混合物中的少量污染物。例如，2015年的研究表明混雜了馬肉的牛肉可以利用可見(jiàn)光（515、595、650納米）到短波紅外（880納米）波段的四種波長(zhǎng)進(jìn)行快速識(shí)別（論文鏈接為：https://link.springer.com/article/10.1007/s11947-015-1470-7）。

圖1 短波紅外成像可以看到以往不可見(jiàn)的細(xì)節(jié)，如擦傷或表皮以下部分。我們比較了可見(jiàn)光（如圖a左圖）和短波紅外傳感器捕獲的圖像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有短波紅外圖像可顯示出蘋(píng)果的瘀傷和缺陷（如圖a右圖）。同時(shí)不同化學(xué)物質(zhì)以高度特定的波長(zhǎng)吸收短波紅外波段，從而產(chǎn)生獨(dú)特的吸收光譜。因此利用短波紅外成像可識(shí)別食物中的污染物。圖b左圖由可見(jiàn)光傳感器拍攝（圖b右圖由短波紅外傳感器拍攝），圖b中從左至右的物質(zhì)分別為鹽、糖和土豆淀粉。

事實(shí)上，高光譜成像技術(shù)在未來(lái)預(yù)防食品污染領(lǐng)域可能將發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此，包括歐盟和美國(guó)在內(nèi)的諸多政府已批準(zhǔn)并正在資助該項(xiàng)目，以進(jìn)一步評(píng)估其潛力。

短波紅外成像對(duì)安全、天文學(xué)等不同領(lǐng)域也有著重要意義，如從硅晶圓、平板顯示器檢測(cè)到藝術(shù)品修復(fù)，從藥物研發(fā)到自動(dòng)駕駛汽車(chē)。2018年的研究表明，短波紅外成像甚至能夠可視化腦瘤并實(shí)現(xiàn)非侵入性檢測(cè)（論文鏈接為：https://doi.org/10.3390/s18020430）。

傳統(tǒng)短波紅外傳感器的功能

傳統(tǒng)情況下，短波紅外成像無(wú)法使用與可見(jiàn)光成像相同的傳感器技術(shù)。在可見(jiàn)光（400 nm – 700 nm）應(yīng)用中，通常采用CMOS圖像傳感器，可以使可見(jiàn)光傳感器的像素間距迅速縮小，從而提供更高的分辨率。此外，CMOS還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出。然而，CMOS無(wú)法捕捉波長(zhǎng)超過(guò)1100 nm的光。

為了克服這一問(wèn)題，短波紅外成像采用了銦鎵砷（InGaAs）技術(shù)。然而傳統(tǒng)的InGaAs技術(shù)分辨率很低，并且凸點(diǎn)鍵合（bump bonding）的性質(zhì)阻止了器件的進(jìn)一步微型化（圖2）。此外，這種鍵合工藝可產(chǎn)生模擬輸出，而傳統(tǒng)的InGaAs短波紅外傳感器結(jié)構(gòu)則阻止了可見(jiàn)光到達(dá)光電轉(zhuǎn)換層。

傳統(tǒng)InGaAs短波紅外傳感器不僅圖像分辨率很低，而且制造能夠同時(shí)捕捉可見(jiàn)光和短波紅外的高光譜相機(jī)成本也非常高。下文將仔細(xì)分析如何通過(guò)一種新的工藝技術(shù)來(lái)解決這三個(gè)關(guān)鍵的限制（分辨率、靈敏度和模擬輸出）。

圖2 左圖為傳統(tǒng)InGaAs短波紅外傳感器結(jié)構(gòu)——讀出電路（ROIC）與bump連接；右圖為Cu-Cu連接，器件尺寸明顯縮小。

分辨率的提升

分辨率和微型化問(wèn)題主要來(lái)自于InGaAs層（光電轉(zhuǎn)換發(fā)生）與讀出電路（硅層）之間傳統(tǒng)的bump連接，通過(guò)在光電二極管陣列（PDA）的III-V InGaAs / InP（銦砷化鎵、磷化銦）層與硅層間采用Cu-Cu雜化可以解決該問(wèn)題。

2019年12月，這種新工藝方法由索尼研究團(tuán)隊(duì)在2019年IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上首次提出，并于2020年2月被收錄于IEEE Xplore（論文鏈接為：https://ieeexplore.ieee.org/document/8993432）。這種方法為下一代短波紅外傳感器打開(kāi)了更高像素密度的大門(mén)，并使打造更小尺寸和更高分辨率的傳感器成為可能。

使用傳統(tǒng)bump-bonding工藝的短波紅外芯片的像素間距約為10 μm。而第一代基于新技術(shù)的短波紅外傳感器可將像素間距縮小到5 μm，在同一空間內(nèi)使像素?cái)?shù)提高了四倍，以1/2-type（對(duì)角線(xiàn)8.2 mm）封裝創(chuàng)建SXGA（1296 × 1032）分辨率短波紅外傳感器，以1/4-type（對(duì)角線(xiàn)4.1 mm）封裝創(chuàng)建VGA（656 × 520）分辨率傳感器。

靈敏度的提升

同一傳感器如同時(shí)具有捕獲短波紅外和可見(jiàn)光的能力，可顯著降低需要高光譜成像應(yīng)用的成本。減少I(mǎi)nP層的厚度使該想法成為可能，InP層對(duì)于傳統(tǒng)傳感器來(lái)說(shuō)是可見(jiàn)光穿透的關(guān)鍵限制因素。

較薄的InP層降低了可見(jiàn)光的吸收，并使其能夠傳輸?shù)较旅娴腎nGaAs層。因此，在0.4 μm到1.7 μm（400 nm到1650 nm相對(duì)量子效率》70%）的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)成像是可能的。此外，較薄的InP層提升了短波紅外波長(zhǎng)的相對(duì)量子效率，900 nm到1600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光透過(guò)InP層比率可達(dá)90%以上（圖3）。

圖3 隨著InP厚度的減薄，較短的波長(zhǎng)（可見(jiàn)光）可以穿透InGaAs層并被探測(cè)到。

這一改進(jìn)使傳感器可同時(shí)捕獲短波紅外和可見(jiàn)光的高光譜圖像，從而大幅減少圖像相機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷，也使整個(gè)系統(tǒng)的成本優(yōu)于多傳感器解決方案。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬輸出

通過(guò)使用Cu-Cu雜化，InGaAs傳感器也可直接輸出數(shù)字信號(hào)，而無(wú)需使用數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。因此該方法在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，賦予短波紅外相機(jī)與當(dāng)前工業(yè)CMOS圖像傳感器相同的性能。

結(jié)論

高光譜和短波紅外技術(shù)為食品和農(nóng)業(yè)質(zhì)量檢驗(yàn)以及污染檢測(cè)帶來(lái)了巨大好處。顯而易見(jiàn)，這些技術(shù)還可以廣泛用于藝術(shù)品修復(fù)、醫(yī)藥以及汽車(chē)等諸多行業(yè)。

利用Cu-Cu鍵合取代bump連接，可以顯著改善傳統(tǒng)InGaAs傳感器的限制：將像素密度提高四倍，并在單芯片上實(shí)現(xiàn)短波紅外和可見(jiàn)光成像，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出。

圖4 IMX990短波紅外圖像傳感器，左圖為陶瓷LGA封裝，右圖為陶瓷PGA封裝

索尼于2020年5月首次推出其基于Cu-Cu鍵合技術(shù)的兩款短波紅外傳感器：IMX990和IMX991。
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