Imec integra sottile

LEUVEN (Belgio), 14 agosto 2023—Imec, un polo di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nella nanoelettronica e nelle tecnologie digitali, presenta la riuscita integrazione di una struttura di fotodiodo fissata nei sensori di immagine a film sottile. Con l'aggiunta di un fototraguardo bloccato e di un cancello di trasferimento, le qualità di assorbimento superiori degli imager a film sottile, oltre la lunghezza d'onda di un µm, possono finalmente essere sfruttate, sbloccando il potenziale di rilevamento della luce oltre il visibile in modo economicamente vantaggioso.

Il rilevamento di lunghezze d’onda oltre la luce visibile, ad esempio la luce infrarossa, offre evidenti vantaggi. Le applicazioni includono telecamere nei veicoli autonomi per "vedere" attraverso il fumo o la nebbia e telecamere per sbloccare lo smartphone tramite il riconoscimento facciale. Mentre la luce visibile può essere rilevata tramite imager a base di silicio, per lunghezze d'onda maggiori sono necessari altri semiconduttori, come gli infrarossi a onde corte (SWIR).

L'uso di materiali III-V può superare questa limitazione di rilevamento. Tuttavia, la produzione di questi assorbitori è costosa e ne limita l’uso. Al contrario, i sensori che utilizzano assorbitori a film sottile (come i punti quantici) sono recentemente emersi come un’alternativa promettente. Presentano caratteristiche di assorbimento superiori e potenziale di integrazione con circuiti di lettura convenzionali (CMOS). Tuttavia, tali sensori a infrarossi hanno una prestazione di rumore inferiore, che porta ad una qualità dell'immagine inferiore.

Già negli anni '80 è stata introdotta la struttura a fotodiodo pinnato (PPD) per i sensori di immagine CMOS al silicio. Questa struttura introduce un transistor gate aggiuntivo e una speciale struttura fotorilevatrice, mediante la quale le cariche possono essere completamente drenate prima che inizi l'integrazione (consentendo l'operazione di reset senza rumore kTC né l'effetto del frame precedente). Di conseguenza, grazie al minor rumore e alle migliori prestazioni energetiche, i PPD dominano il mercato consumer dei sensori di immagine basati sul silicio. Al di là dell'imaging del silicio, finora non era possibile incorporare questa struttura a causa della difficoltà di ibridare due diversi sistemi di semiconduttori.

Ora, imec dimostra l'integrazione riuscita di una struttura PPD nel circuito di lettura di sensori di immagine basati su pellicola sottile; il primo del suo genere. Un fotorilevatore a punti quantici SWIR è stato ibridato monoliticamente con un transistor a film sottile basato su ossido di indio-gallio-zinco (IGZO) in un pixel PPD. Questa matrice è stata successivamente elaborata su un circuito di lettura CMOS per formare un sensore di immagine SWIR a film sottile di qualità superiore. "Il prototipo del sensore di immagine 4T ha mostrato un rumore di lettura notevolmente basso, pari a 6,1e-, rispetto a >100e- del sensore 3T convenzionale, dimostrando le sue prestazioni di rumore superiori" ha affermato Nikolas Papadopoulos, leader del progetto "Thin-Film Pinned Photodiode" presso imec. Di conseguenza, le immagini a infrarossi possono essere catturate con meno rumore, distorsione o interferenza e con maggiore precisione e dettaglio.

Pawel Malinowski, Program Manager 'Pixel Innovations' di imec aggiunge: “Noi di imec siamo in prima linea nel collegare il mondo degli infrarossi e quello degli imager, grazie alla nostra esperienza combinata nei fotodiodi a film sottile, IGZO, sensori di immagine e transistor a film sottile . Raggiungendo questo traguardo, abbiamo superato gli attuali limiti dell'architettura dei pixel e dimostrato un modo per combinare il pixel SWIR a punti quantici con le migliori prestazioni con una produzione conveniente. I passi futuri includono l’ottimizzazione di questa tecnologia in diversi tipi di fotodiodi a film sottile, nonché l’ampliamento della sua applicazione nei sensori oltre l’imaging del silicio. Non vediamo l’ora di promuovere queste innovazioni nella collaborazione con i partner del settore”.

I risultati sono pubblicati nell'edizione di agosto 2023 di Nature Electronics "Pinned photodiode for monolytic thin-film image sensors". I primi risultati sono stati presentati all’edizione 2023 dell’International Image Sensors Workshop.

A proposito di imec

Imec è un centro di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali. Imec sfrutta la sua infrastruttura di ricerca e sviluppo all'avanguardia e il suo team di oltre 5.500 dipendenti e ricercatori di punta, per attività di ricerca e sviluppo in semiconduttori avanzati e scalabilità di sistemi, fotonica del silicio, intelligenza artificiale, tecnologie di comunicazione e rilevamento oltre il 5G e nei domini applicativi come la salute e le scienze della vita, la mobilità, l'industria 4.0, l'agroalimentare, le città intelligenti, l'energia sostenibile, l'istruzione,... Imec unisce i leader mondiali dell'industria lungo la catena del valore dei semiconduttori, aziende tecnologiche, farmaceutiche, mediche e ICT con sede nelle Fiandre e internazionali, start-up -ups, università e centri di conoscenza. Imec ha sede a Leuven (Belgio), ha siti di ricerca in Belgio, Paesi Bassi e Stati Uniti e rappresentanze in 3 continenti. Nel 2021 i ricavi (P&L) di imec sono stati pari a 732 milioni di euro.