imec提出以亚微米像素尺寸分离颜色的新方法赋能CMOS图像传感器

据麦姆斯咨询报道，近期，在美国加利福尼亚州旧金山举行的国际电子器件会议（IEEE IEDM 2023）上，比利时纳米电子学和数字技术研究与创新中心imec展示了一种“在300mm晶圆上使用标准后端制造工艺来实现以亚微米像素尺寸分离颜色”新方法。

imec表示，该技术有望提升高端摄像头的性能——提供更高的信噪比、增强的色彩质量以及前所未有的空间分辨率。

设计下一代CMOS图像传感器需要在收集所有入射光子、实现低至光子尺寸或衍射极限的分辨率、准确记录光颜色之间取得平衡。

像素上集成拜尔（Bayer）滤色镜的传统CMOS图像传感器在结合所有三个要求方面仍然受到限制。虽然较高的像素密度会提高整体图像分辨率，但较小的像素捕获的光子更少，并且容易出现因从相邻像素插值颜色值而产生的伪影。

尽管基于衍射的分色器代表了提高颜色灵敏度和捕获光子方面的飞跃，但它们仍然无法提高图像分辨率。

imec现在提出了一种全新的方法，使用标准后端制造工艺以亚微米像素尺寸（即超出基本阿贝衍射极限）分离颜色。据说该新方法通过收集几乎所有的光子、利用非常小的像素提高分辨率以及真实地渲染颜色，为下一代CMOS图像传感器“勾选了所有的选项方框”。

为了实现这一目标，imec研究人员在SiO2基质中构建了垂直Si3N4多模波导阵列。该波导具有锥形、衍射极限尺寸的配置，用于收集所有的入射光。

用于BY-CR成像中颜色分离的垂直波导阵列3D可视化（左）和TEM横截面（右）

imec科学主任Jan Genoe教授说道：“在每个波导中，入射光子都会激发对称和非对称模式，它们以不同的方式通过波导传播，从而导致给定频率的两种模式之间出现独特的‘拍频’模式。这种拍频模式可以在波导末端实现与特定颜色相对应的空间分离。”

imec分色器工作原理（左）和新型波导阵列（右）

imec表示，每个波导的总输出光预计可达到人类色彩感知范围（波长范围400-700nm）内的90%以上，这使其优于现有的拜耳滤色镜。

imec主要技术人员Robert Gehlhaar表示：“由于该技术与标准300mm晶圆制造兼容，因此可以经济高效地生产分色器。这使得高分辨率CMOS图像传感器能够进一步发展，最终目标是检测每个入射光子及其属性。

imec表示：“我们的目标是成为具有衍射极限分辨率的彩色成像的未来标准制定者。欢迎行业合作伙伴加入我们，共同迈向CMOS图像传感器的未来之路。”

审核编辑：刘清