欧洲微电子研究中心Imec的研究人员开发了一种高分辨率短波红外(SWIR)图像传感器的原型，其像素间距创下了1.82微米的记录。它基于一个薄膜光电探测器，该探测器被单片集成在一个定制的Si-CMOS读出电路上。一个与晶圆厂兼容的工艺流程为高通量、晶圆级制造铺平了道路。所提出的技术在像素间距和分辨率方面大大超过了当今基于InGaAs的SWIR成像器的能力，并且具有颠覆性的成本和外形尺寸潜力。即使在成本敏感的领域，如工业机器视觉、智能农业、汽车、监控、生命科学和消费电子等领域也能实现新的应用。Imec将在2020年IEEE国际电子器件会议(IEDM)的第16场会议上展示这些成果。
在短波长红外（SWIR）范围内（波长从1400纳米左右到2000纳米以上）的传感，在某些应用中比可见光（VIS）和近红外（NIR）范围更有优势。例如，SWIR图像传感器可以穿透烟雾或雾气，甚至可以穿透硅，这对于检测和工业机器视觉应用尤为重要。迄今为止，SWIR图像传感器是通过一种混合技术生产的，在这种技术中，基于III-V的光电探测器（通常基于InGaAs）与硅读出电路进行倒装接合。这些传感器可以制作得非常灵敏，但该技术对于大规模生产来说相当昂贵，而且在像素大小和像素数量上也受到限制，这阻碍了它在成本、分辨率和/或外形因素至关重要的市场上的应用。
Imec通过将薄膜光电探测器堆栈与Si-CMOS读出电路进行单片集成，推出了一种可记录2微米以下小像素间距的替代解决方案。光电探测器像素堆栈实现了5.5nm的PbS量子点等薄吸收层，对应1400nm波长的峰值吸收。吸收峰值波长可以通过调整纳米晶体的尺寸进行调整，甚至可以扩展到2000nm以上的波长。在SWIR峰值波长下，可获得18%的外部量子效率(EQE)(并可通过进一步改进向50%升级)。光电探测器堆栈与定制的读出电路单片集成，采用130nm CMOS技术处理。在这个读出电路中，3晶体管像素设计进行了优化，以适应在可访问的130nm技术节点中像素尺寸的缩放，从而使原型SWIR成像器的小间距达到1.82微米。
Pawel Malinowski，imec的薄膜成像器项目经理介绍说："凭借紧凑、高分辨率的SWIR图像传感器技术，我们为客户提供了一条在imec的200毫米工厂内实现经济实惠的小批量生产的道路。这些图像传感器可部署在工业机器视觉（如光伏板监控）、智能农业（如检测和分拣）、汽车、监控、生命科学（如无透镜成像）等领域。由于它们的外形尺寸小，它们有可能被集成在小型摄像头中，如智能手机或AR/VR眼镜中，使用对眼睛安全的SWIR光源。未来计划包括增加EQE（目前在测试样本的SWIR中已经达到50%），降低传感器的噪声，并引入多光谱阵列与定制图案方法。"
论文标题为《Imaging in Short-Wave Infrared with 1.82 μm Pixel Pitch Quantum Dot Image Sensor》。
