索尼谈颠覆性SWIR图像传感器，业界最小像素实现小型化和高分辨率-技术圈

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来源：半导体行业观察

SWIR（short-wavelength infrared：短波红外）图像传感器在各行各业的质量检测中至关重要。SWIR 光谱是可见光波段以外的一系列红外光谱，可用于产品检测以检测人眼不可见的微小缺陷或污染物。

索尼最近开发的SWIR 图像传感器通过部署业界最小的 5 µm像素，实现了更小尺寸和更多像素。该图像传感器无与伦比，因为其动态范围还涵盖了可见光光谱。

这种独一无二的图像传感器背后是一个在开发过程中前所未有的挑战故事。如何克服这些挑战的故事揭示了只有索尼半导体解决方案集团（以下简称“集团”）拥有的专业知识。

索尼首先指出，SWIR（短波红外线）是一种特殊范围的红外线。可以使用热成像相机来检测某些范围的红外光，以测量例如人体的温度。其他人有不同的属性。SWIR 是介于 0.9 和 2.5 µm 之间的波长范围。

它在反射和吸收方面有别于可见光的特性，而 SWIR 图像传感器利用这些特性将人眼无法感知的事物可视化。同时，一些材料允许短波红外光穿透，这使得检查这些材料背后的东西成为可能。

这种光的散射也比可见光少，而且这种特性对于在有雾或有雾的环境中可视化物体很有用。

得益于其原创技术，索尼开发的 SWIR 图像传感器不仅可以在高达 1.7 µm 的范围内进行可视化，还可以捕获可见光谱中的图像。

从应用上看，索尼指出，SWIR 光具有穿透硅和可视化雾的特性。利用这些特性，图像传感器可应用于各种行业，包括半导体和食品生产，主要用于检测目的。以半导体行业为例，半导体晶圆通常由吸收可见光的硅制成。在可见光条件下使用传统数码相机，它看起来就像一块普通的金属板。同时，短波红外穿透硅。因此，当在配备 SWIR 图像传感器的相机捕获的图像中进行可视化时，芯片看起来像一块透明的玻璃板，并且可以检测到晶片内的裂缝或半导体中的污染物。

除此之外，水在自然可见光下是透明的，但它会吸收短波红外波段内的特定波长，因此在捕获的图像中会呈现彩色。该特性可用于检测水分，因此该传感器可用于食品检测，例如检测在可见光下难以检测的水果上的瘀伤和划痕。

可见光下
SWIR成像条件下

在问到这类传感器的设计难度时，索尼回应道：SWIR 图像传感器已经应用于许多行业，但它们存在重大的技术问题。其中之一是像素大小。传统传感器中的像素很大，并且尺寸使得在一个传感器中放置多个像素变得困难。它对提高决议提出了挑战。在图像质量方面，也很难获得清晰的图像，因此相机制造商不得不安排繁重的后期处理。此外，由于传感器是模拟类型，相机必须将信号转换为数字数据，这给相机的处理电路带来了很大的压力，并且需要设计知识来实现它。

他们进一步指出，传统的 SWIR 图像传感器使用凸块连接，其中包括金属球将像素内的磷化铟层与硅层连接起来。为了使用凸点连接减小像素尺寸，需要将金属球精确对准微米级的凸点间距，这本身就很难实现。这一技术难点阻碍了像素的小型化，导致图像传感器价格上涨。

正因为考虑到使用凸块连接阻碍了 SWIR 图像传感器的小型化。索尼使用 Cu-Cu 连接来解决这个问题，这是索尼多年来为图像传感器开发的堆叠技术。

按照索尼的说法，在堆叠背照式 CMOS 图像传感器部分（顶部芯片）和逻辑电路（底部芯片）时，通过连接的 Cu（铜）焊盘提供电连续性的技术。与通过贯穿像素区域周围的电极实现连接的硅通孔 (TSV) 布线相比，这种方法提供了更多的设计自由度、提高了生产率、允许更紧凑的尺寸并提高了性能。这项技术将使以微间距对齐像素成为可能。

同时，传统的图像传感器使用硅作为光电转换层，但这种材料不吸收 SWIR 范围的光。因此，索尼使用砷化铟镓 (InGaAs) 作为能够吸收 SWIR 光谱并将光能转换为电信号的光电二极管材料。这种材料以前从未用于索尼的图像传感器中，但是，索尼的另一个部门拥有生产 InGaAs 的化合物半导体技术。

此外，集团拥有将光能转换为数字信号的电路技术。事实上，索尼已经掌握了应对挑战的必要技术，包括 SWIR 图像传感器所需的化合物半导体技术。索尼认为，通过结合这些技术，有可能以前所未有的微型规模实现 SWIR 图像传感器，并增加像素数。

索尼表示，公司已经相信该集团的技术专长能够取得成功，因此他们专注于部署集团的技术，使最终的图像传感器对客户有用。索尼做的第一件事是采用列并行 A/D 转换电路，这是一种为 CMOS 图像传感器技术开发的技术，将 SWIR 图像传感器输出数字化。这消除了相机制造商为后处理提供 A/D 转换组件的需要。它还有助于解决索尼竞争对手产品必须解决的图像质量问题。因此，索尼相信它有助于显着减少相机制造商的图像编辑步骤。

索尼继续指出，SWIR 图像传感器具有由 InGaAs 制成的光电二极管。制造 InGaAs 必不可少的磷化铟 (InP) 形成阻挡可见光的层。然而，索尼考虑采用的 Cu-Cu 连接在结构上允许减少 InP 层的厚度。这促使我们致力于开发一种独特的 SWIR 图像传感器，该传感器也能够在可见光下捕获图像。

索尼进一步说到，这是集团有史以来第一个使用 InGaAs 开发的 SWIR 图像传感器，因此公司彻底审查了要解决的挑战，在开发的早期阶段就有 300 多个。随着进一步深入开发，索尼发现了更多需要处理的问题。原来有这么多的挑战等待着。还有一些 InGaAs 独有的现象，这是硅所不知道的，我们不得不讨论如何在最终产品中处理这些现象。

索尼最后说到，通过像素小型化增加的像素数带来了巨大的好处。图像传感器能够识别以前无法检测到的极小损坏，从而提高检测质量。数字化将使相机设计更容易，这反过来又有助于节约成本等，并使图像传感器对客户来说更实惠。由于索尼相信能为世界带来更好的质量检测，索尼认为这款 SWIR 图像传感器将在其中发挥重要作用。

“我们的 SWIR 图像传感器具有集团广受赞誉的特性，例如易用性、高性能等等。相信会在市场上引起轰动。我认为这些特性也将有助于为新应用铺平道路。”索尼最后说。

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