ST 在 IEEE 國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM 2021）上提交了四篇論文。其中一個(gè)是主辦方的邀請(qǐng)，另一個(gè)是與三星合作的成果。所有這些都旨在使改變行業(yè)的創(chuàng)新更容易獲得。事實(shí)上，三星和 ST 展示了第一款采用新工藝的 18 nm FDSOI 微控制器。同樣，其他論文希望在未來(lái)幾年內(nèi)使傳感器或存儲(chǔ)器更具成本效益。因此，讓我們深入了解 ST 在此次活動(dòng)中展示的一些論文。

“針對(duì)近波和短波紅外優(yōu)化的 1.62μm 全局快門量子點(diǎn)圖像傳感器”

IEDM 2021 有什么新功能？

其中一個(gè)引人注目的是 Johnathan Steckel 領(lǐng)導(dǎo)的一篇論文，該論文介紹了在 300 mm 硅晶片上生產(chǎn)的用于近紅外 （NIR） 和短波紅外 （SWIR） 的第一個(gè) 1.62 μm 像素間距全局快門圖像傳感器。使用硫化鉛量子點(diǎn)，圖像傳感器比砷化銦鎵 （InGaAs） 替代品更具成本效益。此外，它是一種全局快門技術(shù)，具有創(chuàng)紀(jì)錄的小像素間距和出色的效率。因此，可以在光譜的紅外部分捕獲更多細(xì)節(jié)。因此，該論文為移動(dòng)設(shè)備、機(jī)器視覺(jué)、高光譜成像和光譜學(xué)、安全和監(jiān)控創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。

為什么是量子點(diǎn)？

量子點(diǎn)是微小的（通常在 2 nm 到 20 nm 之間）半導(dǎo)體晶體。它們的獨(dú)特特性之一是它們的光學(xué)和電學(xué)特性隨其尺寸而變化。在圖像傳感器中，使用各種尺寸的量子點(diǎn)可以捕獲超出硅吸收限制的不同波長(zhǎng)的光。在 ST 的 IEDM 2021 論文中，研究人員調(diào)整量子點(diǎn)以捕獲 940 nm 和 1400 nm 光，后者可與 InGaAs 傳感器相媲美。然而，InGaAs 成像設(shè)備具有挑戰(zhàn)性且制造成本高。在現(xiàn)有晶圓廠中使用傳統(tǒng)的 300 毫米硅晶圓工藝，ST 可以以極低的成本生產(chǎn)用于短波紅外的量子點(diǎn)傳感器。

為什么是 IEDM 2021 而不是幾年前？

量子點(diǎn)并不新鮮，早在 1980 年代早期，科學(xué)家們就已經(jīng)在研究它們的特性1。然而，膠體合成可以吸收紅外光的晶體并創(chuàng)造出能夠產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用所需的性能和穩(wěn)定性的薄膜器件和制造工藝需要數(shù)年時(shí)間。更具體地說(shuō)，ST 開(kāi)發(fā)了一種不會(huì)超過(guò) 150oC 的制造工藝，同時(shí)還創(chuàng)造了可以保持量子點(diǎn)完整性的光刻方法。

IEDM 2021 論文詳細(xì)解釋了 ST 如何在 300 毫米晶圓上創(chuàng)建這種圖像傳感器技術(shù)，并描述了迄今為止所達(dá)到的性能和可靠性。我們計(jì)劃在 2022 年向潛在客戶提供樣品和評(píng)估套件，并在未來(lái)幾年轉(zhuǎn)向量產(chǎn)。在潛在的應(yīng)用中，移動(dòng)設(shè)備可以使用新傳感器來(lái)改進(jìn)面部或物體檢測(cè)。最終，所有消費(fèi)者都可以使用的低成本大容量 SWIR 圖像傳感器將為新的用例和應(yīng)用打開(kāi)大門。

未來(lái)汽車的創(chuàng)新

“加熱器系統(tǒng)優(yōu)化，可在 28nm FDSOI 技術(shù)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的 ePCM 可靠性和可擴(kuò)展性”

PCM 壁結(jié)構(gòu)的 0.019μm2 單元布局和沿 （b） 的 TEM 橫截面 圖 2：針對(duì)加熱器壁 WL 和沿 （c） BL 的 PCM 流動(dòng)序列描述

由 Rossella Ranica 領(lǐng)導(dǎo)的另一篇論文著眼于嵌入式相變存儲(chǔ)器 （ePCM） 中的加熱器系統(tǒng)對(duì)耐用性和保持力的影響。正如我們已經(jīng)解釋過(guò)的，PCM 使用硫族化合物，該化合物通過(guò)加熱元件改變狀態(tài)。然而，關(guān)于各種加熱器值對(duì)電池耐久性和可靠性的影響，還有很多需要了解。因此，該論文至關(guān)重要，因?yàn)樗@示了加熱器電阻如何影響兩者。較高的加熱器電阻會(huì)導(dǎo)致較低的電流和更大的耐用性，但會(huì)減少再結(jié)晶單元的數(shù)量。由于這些發(fā)現(xiàn)，具有 ePCM 的汽車微控制器可以更好地管理這種權(quán)衡并微調(diào)加熱器系統(tǒng)。

“超越光互連的硅光子學(xué)”

天線陣列通過(guò)相長(zhǎng)干涉產(chǎn)生波束。方位角由每個(gè)天線相位確定。視場(chǎng)由 +/- 1 級(jí)干涉決定，右圖：混合 InP/Si 波導(dǎo)的 TEM 橫截面

IEDM 2021 還邀請(qǐng)了由 Frederic Boeuf 領(lǐng)導(dǎo)的 ST 論文，探討硅光子在通信以外的其他應(yīng)用中的應(yīng)用，例如光學(xué)相控陣 （OPA） 和神經(jīng)形態(tài)加速器。與使用機(jī)械傳感器的傳統(tǒng) LiDAR 設(shè)備不同，ST 可以設(shè)想創(chuàng)建一個(gè)沒(méi)有移動(dòng)部件的組件。傳統(tǒng)的硅光子設(shè)備已經(jīng)可以執(zhí)行激光束掃描和整形以檢測(cè)對(duì)象的存在和范圍。然而，在消費(fèi)電子產(chǎn)品中實(shí)施該技術(shù)時(shí)，高功耗是一個(gè)重大問(wèn)題。

本文討論了電光調(diào)制器的使用，而不是經(jīng)典的熱光器件，包括 Si-PiN 二極管和混合 III-V/Si 器件。因此，本文提出了一種更強(qiáng)大、更高效、更具成本效益的 LiDAR 解決方案。目前的行業(yè)路線圖將此類設(shè)備的發(fā)布時(shí)間定在 2025 年左右。此外，本文與東京大學(xué)合作，討論了混合 III-V/Si 設(shè)備如何使基于硅光子學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受益。事實(shí)上，通過(guò)以光速實(shí)現(xiàn)低功耗乘法和加法運(yùn)算，硅光子學(xué)可以改變神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

審核編輯：郭婷