IMEC 項(xiàng)目經(jīng)理 Pawel Malinowski 與 Semiconductor Engineering（SE）坐下來(lái)討論了傳感器技術(shù)的變化及其原因。以下是該討論的摘錄。

SE：傳感器技術(shù)的下一步是什么？

Malinowski：我們正在嘗試尋找一種制造圖像傳感器的新方法，因?yàn)槲覀兿Ｍ麛[脫硅光電二極管的限制。硅是一種完美的材料，特別是如果您想重現(xiàn)人類(lèi)視覺(jué)，因?yàn)樗鼘?duì)可見(jiàn)光波長(zhǎng)敏感，這意味著您可以做人眼所做的事情?，F(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域正處于非常成熟的階段。每年售出約 60 億個(gè)圖像傳感器。這些芯片最終會(huì)出現(xiàn)在智能手機(jī)、汽車(chē)和其他應(yīng)用的攝像頭中。它們是典型的標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器，其中具有硅基電路或電子器件和硅光電二極管。它們基本上進(jìn)行紅/綠/藍(lán) (RGB) 再現(xiàn)，以便我們可以獲得漂亮的圖片。但如果你觀(guān)察其他波長(zhǎng)——例如，紫外線(xiàn)或紅外線(xiàn)——你就會(huì)發(fā)現(xiàn)在可見(jiàn)光中無(wú)法獲得的現(xiàn)象或信息。我們特別關(guān)注紅外范圍。在那里，我們討論了一個(gè)特定的范圍，在一微米到兩微米之間，我們稱(chēng)之為短波紅外。有了這個(gè)范圍，你就可以看透事物。例如，您可以透過(guò)霧、煙或云看到東西。這對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其有趣。

SE：這項(xiàng)技術(shù)有什么即將到來(lái)的挑戰(zhàn)或新應(yīng)用嗎？

Malinowski：對(duì)于這個(gè)波長(zhǎng)，你不能使用硅，因?yàn)樗鼤?huì)變得透明。例如，當(dāng)您查看硅太陽(yáng)能電池中的裂紋時(shí)，這對(duì)于缺陷檢查來(lái)說(shuō)很有趣。有些材料有不同的對(duì)比。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)看起來(lái)完全相同的材料在短波紅外線(xiàn)中可能具有不同的反射率，這意味著您可以擁有更好的對(duì)比度，例如，當(dāng)您對(duì)塑料進(jìn)行分類(lèi)或?qū)κ称愤M(jìn)行分類(lèi)時(shí)。還有其他應(yīng)用，如圖1（下）所示。這是來(lái)自太陽(yáng)穿過(guò)大氣層的光的力量。灰色是大氣層之上的，空白的是來(lái)到地球的。你會(huì)看到有一些最大值和最小值。最小值與大氣中的吸水率有關(guān)。您可以在工作時(shí)使用此最小值，例如使用主動(dòng)消除系統(tǒng)，這意味著您發(fā)出一些光并檢查反射回來(lái)的光。這就是 iPhone 上的 Face ID 的工作原理：您發(fā)出光并檢查返回的內(nèi)容。它們的工作波長(zhǎng)約為 940 納米。如果您使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)（例如 1,400），您的背景將會(huì)低得多，這意味著您可以獲得更好的對(duì)比度。如果您選擇仍然有大量光的波長(zhǎng)，則可以將其與被動(dòng)照明一起使用以獲得額外的信息，例如仍然有一些光子的低光成像。

圖 1：短波長(zhǎng)紅外線(xiàn)的可能性。來(lái)源：imec

SE：您是如何確定這一點(diǎn)的？

Malinowski：我們檢查的是如何訪(fǎng)問(wèn)這些波長(zhǎng)。由于硅的物理特性，硅對(duì)此并不有利。傳統(tǒng)的方法是bonding，您采用另一種材料（例如砷化銦鎵或碲化汞鎘）并將其bonding在讀出電路上。這是現(xiàn)有技術(shù)。它廣泛用于國(guó)防應(yīng)用、軍事以及高端工業(yè)或科學(xué)。它的價(jià)格昂貴。由于bonding工藝和制造成本的原因，采用這種技術(shù)制造的傳感器通常花費(fèi)數(shù)千歐元。您可以種植所需的材料，例如鍺，但這非常困難，并且在使噪音足夠低方面存在一些問(wèn)題。我們采用的是第三種方式，即存放材料。在這種情況下，我們使用有機(jī)材料或量子點(diǎn)。我們采用可以吸收短波紅外光或近紅外光的材料，并用標(biāo)準(zhǔn)方法（例如旋涂）將其沉積，我們得到了非常薄的層。這就是為什么我們將此類(lèi)傳感器稱(chēng)為“薄膜光電探測(cè)器傳感器”，其中材料的吸收性比硅高得多。它看起來(lái)像讀出電路頂部的煎餅。

SE：這與其他材料相比如何？

Malinowski：如果將其與硅二極管進(jìn)行比較，它們需要更大的體積和更大的深度。特別是對(duì)于這些較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，它們會(huì)變得透明。相比之下，薄膜光電探測(cè)器 (TFPD) 圖像傳感器具有單片集成的一堆材料，包括量子點(diǎn)有機(jī)材料等光敏材料，這意味著它是一個(gè)芯片。硅頂部沒(méi)有鍵合。這種方法的問(wèn)題在于，當(dāng)您在金屬電極頂部集成這樣的光電二極管時(shí)，很難將噪聲降低到足夠低，因?yàn)榇嬖谝恍o(wú)法消除的固有噪聲源。

圖 2：薄膜光電探測(cè)器。來(lái)源：imec

SE：你是如何解決這個(gè)問(wèn)題的？

Malinowski：我們遵循硅圖像傳感器在 20 世紀(jì) 80 年代末和 90 年代的發(fā)展方式，引入了固定光電二極管。您可以將轉(zhuǎn)換光子的光電二極管區(qū)域與讀數(shù)解耦。我們引入了一個(gè)額外的晶體管，而不是只有一個(gè)薄膜吸收器與讀出器的接觸。這就是 TFT，它負(fù)責(zé)使結(jié)構(gòu)完全耗盡，以便我們可以轉(zhuǎn)移該薄膜吸收器中產(chǎn)生的所有電荷，并通過(guò)該晶體管結(jié)構(gòu)將它們轉(zhuǎn)移到讀出裝置。通過(guò)這種方式，我們顯著限制了噪聲源。

SE：為什么噪聲是傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)問(wèn)題？

Malinowski：噪音有不同的來(lái)源。噪聲可以是不需要的電子的總數(shù)，但這些電子可以來(lái)自不同的來(lái)源或出于不同的原因。有些與溫度有關(guān)，有些與芯片的不均勻性有關(guān)，有些與晶體管漏電有關(guān)，等等。通過(guò)這種方法，我們正在研究與讀數(shù)相關(guān)的一些噪聲源。對(duì)于所有圖像傳感器來(lái)說(shuō)，都會(huì)有噪聲，但處理噪聲的方法不同。例如，iPhone 中的硅基傳感器通過(guò)特定的讀出電路設(shè)計(jì)來(lái)處理噪聲源，其架構(gòu)的基礎(chǔ)可以追溯到 80 年代和 90 年代。這是我們嘗試使用薄場(chǎng)光電探測(cè)器的新型圖像傳感器來(lái)復(fù)制的一點(diǎn)點(diǎn)。這是舊設(shè)計(jì)技巧在新型傳感器中的應(yīng)用。

SE：您預(yù)計(jì)這會(huì)用在哪里？你提到了汽車(chē)。它也適用于醫(yī)療設(shè)備嗎？

Malinowski：這項(xiàng)技術(shù)的最大動(dòng)力來(lái)自消費(fèi)電子產(chǎn)品，例如智能手機(jī)。如果你使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，你可以得到更低的對(duì)比度，因?yàn)樵摬ㄩL(zhǎng)下的光更少，或者你可以在大氣中看到這種顏色的光。它是增強(qiáng)視覺(jué)，這意味著可以看到比人眼所能看到的更多的東西，因此您的相機(jī)可以獲取更多信息。另一個(gè)原因是較長(zhǎng)的波長(zhǎng)更容易通過(guò)某些顯示器。承諾是，如果你有這種解決方案，你可以將傳感器（例如 Face ID）放置在另一個(gè)顯示器后面，這樣可以增加顯示面積。

另一個(gè)原因是，如果你使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，你的眼睛的敏感度就會(huì)低得多——與近紅外波長(zhǎng)相比大約五到六個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著你可以使用更強(qiáng)大的光源。所以你可以射出更多的力量，這意味著你可以有更遠(yuǎn)的射程。對(duì)于汽車(chē)，您可以獲得額外的能見(jiàn)度，尤其是在惡劣的天氣條件下，例如霧中的能見(jiàn)度。對(duì)于醫(yī)療而言，它可以幫助推進(jìn)小型化。在一些應(yīng)用中，例如內(nèi)窺鏡檢查，現(xiàn)有技術(shù)使用其他材料和更復(fù)雜的集成，因此小型化相當(dāng)困難。通過(guò)量子點(diǎn)方法，您可以制造非常小的像素，這意味著在緊湊的外形中具有更高的分辨率。這使得在保持高分辨率的同時(shí)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。此外，根據(jù)我們的目標(biāo)波長(zhǎng)，我們可以獲得非常高的水對(duì)比度，這可能是食品行業(yè)感興趣的原因之一。您可以更好地檢測(cè)谷物等谷物產(chǎn)品中的水分。

SE：隨著弱光視力的提高，它可以有軍事應(yīng)用嗎？

Malinowski：此類(lèi)傳感器已被軍方使用，例如用于檢測(cè)激光測(cè)距儀。不同的是，軍方愿意花 2 萬(wàn)歐元購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)相機(jī)。在汽車(chē)或消費(fèi)領(lǐng)域，他們甚至沒(méi)有考慮這項(xiàng)技術(shù)，正是出于這個(gè)原因。

SE：所以這里的突破是你可以擁有已經(jīng)存在的東西，但你可以以消費(fèi)者規(guī)模的定價(jià)來(lái)?yè)碛兴?/strong>