MEMS键合工艺成就单芯片“可见光+短波红外”高光谱成像
2020-08-01 10:51:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可见光与短波红外（SWIR）的高光谱成像以往均需要昂贵的多芯片或多摄像头解决方案才能实现，且短波红外的分辨率较低。据麦姆斯咨询报道，索尼研究人员今年通过MEMS铜-铜键合工艺解决了这一难题。

近年来，人们对短波红外（在1000到2000纳米之间）波段的成像需求不断攀升。这些短波红外传感器在食品检验等行业至关重要，它们可以提供探测物体内部的能力，例如，可通过早期探测苹果瘀伤，来防止整个苹果变坏（如图1a）。

类似地，可以探测物质反射的特征短波红外波长（如图1b）并防止有毒食品污染物进入供应链。这样就可以利用这种非常经济且高效的工具，来识别出复杂混合物中的少量污染物。例如，2015年的研究表明混杂了马肉的牛肉可以利用可见光（515、595、650纳米）到短波红外（880纳米）波段的四种波长进行快速识别（论文链接为：https://link.springer.com/article/10.1007/s11947-015-1470-7）。

图1 短波红外成像可以看到以往不可见的细节，如擦伤或表皮以下部分。我们比较了可见光（如图a左图）和短波红外传感器捕获的图像，结果发现只有短波红外图像可显示出苹果的瘀伤和缺陷（如图a右图）。同时不同化学物质以高度特定的波长吸收短波红外波段，从而产生独特的吸收光谱。因此利用短波红外成像可识别食物中的污染物。图b左图由可见光传感器拍摄（图b右图由短波红外传感器拍摄），图b中从左至右的物质分别为盐、糖和土豆淀粉。

事实上，高光谱成像技术在未来预防食品污染领域可能将发挥关键作用，因此，包括欧盟和美国在内的诸多政府已批准并正在资助该项目，以进一步评估其潜力。

短波红外成像对安全、天文学等不同领域也有着重要意义，如从硅晶圆、平板显示器检测到艺术品修复，从药物研发到自动驾驶汽车。2018年的研究表明，短波红外成像甚至能够可视化脑瘤并实现非侵入性检测（论文链接为：https://doi.org/10.3390/s18020430）。

传统短波红外传感器的功能

传统情况下，短波红外成像无法使用与可见光成像相同的传感器技术。在可见光（400 nm – 700 nm）应用中，通常采用CMOS图像传感器，可以使可见光传感器的像素间距迅速缩小，从而提供更高的分辨率。此外，CMOS还可实现数字输出。然而，CMOS无法捕捉波长超过1100 nm的光。

为了克服这一问题，短波红外成像采用了铟镓砷（InGaAs）技术。然而传统的InGaAs技术分辨率很低，并且凸点键合（bump bonding）的性质阻止了器件的进一步微型化（图2）。此外，这种键合工艺可产生模拟输出，而传统的InGaAs短波红外传感器结构则阻止了可见光到达光电转换层。

传统InGaAs短波红外传感器不仅图像分辨率很低，而且制造能够同时捕捉可见光和短波红外的高光谱相机成本也非常高。下文将仔细分析如何通过一种新的工艺技术来解决这三个关键的限制（分辨率、灵敏度和模拟输出）。

图2 左图为传统InGaAs短波红外传感器结构——读出电路（ROIC）与bump连接；右图为Cu-Cu连接，器件尺寸明显缩小。

分辨率的提升

分辨率和微型化问题主要来自于InGaAs层（光电转换发生）与读出电路（硅层）之间传统的bump连接，通过在光电二极管阵列（PDA）的III-V InGaAs / InP（铟砷化镓、磷化铟）层与硅层间采用Cu-Cu杂化可以解决该问题。

2019年12月，这种新工艺方法由索尼研究团队在2019年IEEE国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting，IEDM）上首次提出，并于2020年2月被收录于IEEE Xplore（论文链接为：https://ieeexplore.ieee.org/document/8993432）。这种方法为下一代短波红外传感器打开了更高像素密度的大门，并使打造更小尺寸和更高分辨率的传感器成为可能。

使用传统bump-bonding工艺的短波红外芯片的像素间距约为10 µm。而第一代基于新技术的短波红外传感器可将像素间距缩小到5 µm，在同一空间内使像素数提高了四倍，以1/2-type（对角线8.2 mm）封装创建SXGA（1296 × 1032）分辨率短波红外传感器，以1/4-type（对角线4.1 mm）封装创建VGA（656 × 520）分辨率传感器。

灵敏度的提升

同一传感器如同时具有捕获短波红外和可见光的能力，可显著降低需要高光谱成像应用的成本。减少InP层的厚度使该想法成为可能，InP层对于传统传感器来说是可见光穿透的关键限制因素。

较薄的InP层降低了可见光的吸收，并使其能够传输到下面的InGaAs层。因此，在0.4 μm到1.7 μm（400 nm到1650 nm相对量子效率>70%）的宽波长范围内成像是可能的。此外，较薄的InP层提升了短波红外波长的相对量子效率，900 nm到1600 nm波长范围内，光透过InP层比率可达90%以上（图3）。

图3 随着InP厚度的减薄，较短的波长（可见光）可以穿透InGaAs层并被探测到。

这一改进使传感器可同时捕获短波红外和可见光的高光谱图像，从而大幅减少图像相机系统的运算负荷，也使整个系统的成本优于多传感器解决方案。

实现数字模拟输出

通过使用Cu-Cu杂化，InGaAs传感器也可直接输出数字信号，而无需使用数字转换电路。因此该方法在简化设计的同时，赋予短波红外相机与当前工业CMOS图像传感器相同的性能。

结论

高光谱和短波红外技术为食品和农业质量检验以及污染检测带来了巨大好处。显而易见，这些技术还可以广泛用于艺术品修复、医药以及汽车等诸多行业。

利用Cu-Cu键合取代bump连接，可以显著改善传统InGaAs传感器的限制：将像素密度提高四倍，并在单芯片上实现短波红外和可见光成像，以及实现数字输出。

图4 IMX990短波红外图像传感器，左图为陶瓷LGA封装，右图为陶瓷PGA封装

索尼于2020年5月首次推出其基于Cu-Cu键合技术的两款短波红外传感器：IMX990和IMX991。

延伸阅读：

《红外探测器市场-2020版》

《短波红外（SWIR）市场-2019版》