Fundamentalt ny måte å gjengi farger med sub-mikron pikselstørrelser

Denne uken på 2023 International Electron Devices Meeting (IEEE IEDM 2023), demonstrerer forsknings- og innovasjonssenteret imec en ny metode for splitting av farger med sub-mikron oppløsning.

Dette har de klart ved å bruke standard «back-end-of-line» prosessering på 300 mm skiver (wafers). Imec mener at denne teknologien vil heve ytelsen i kameraer, og levere høyere signal-til-støy-forhold, forbedret fargekvalitet med det de kaller enestående romlig oppløsning.

Å designe neste generasjons CMOS-kamera krever å finne en balanse mellom å samle inn alle innkommende fotoner, oppnå en oppløsning ned til fotonstørrelse eller diffraksjonsgrense, og nøyaktig registrering av lysfargen. Tradisjonelle bildesensorer med fargefiltre på pikslene er fortsatt begrenset når det gjelder å kombinere alle tre kravene. Mens høyere pikseltettheter vil øke den totale bildeoppløsningen, fanger mindre piksler opp enda mindre lys og er utsatt for artefakter som skyldes interpolering av fargeverdier fra nabopiksler. Selv om diffraksjonsbaserte fargesplittere er et sprang fremover når det gjelder å øke fargefølsomheten og fange lys, er de fortsatt ikke i stand til å forbedre bildeoppløsningen.

Imec foreslår nå en fundamentalt ny måte for å dele farger ved sub-mikron pikselstørrelser (dvs. utover den grunnleggende Abbe-diffraksjonsgrensen) ved å bruke standard back-end-prosessering. Tilnærmingen krysser av alle bokser for neste generasjons kameraer ved å samle nær alle fotoner, øke oppløsningen ved å bruke svært små piksler og gjengi farger på en pålitelig måte. For å oppnå dette bygde imec-forskere en rekke vertikale Si3N4 multimodusbølgeledere i en SiO2-matrise. Bølgelederne har en avsmalnende, diffraksjonsbegrenset størrelse ved inngangen (f.eks. 800nm2) for å samle alt innfallende lys.

– I hver bølgeleder avgir innfallende fotoner både symmetriske og asymmetriske moduser, som forplanter seg forskjellig gjennom bølgelederen, noe som fører til et unikt «slag»-mønster mellom de to modusene for en gitt frekvens. Dette slagmønsteret muliggjør en romlig separasjon ved enden av bølgelederne som tilsvarer en spesifikk farge, forklarte professor Jan Genoe, vitenskapelig direktør ved imec. Det totale utgangslyset fra hver bølgeleder er estimert til å nå over 90 % innenfor menneskets fargeoppfatning (bølgelengdeområde 400-700nm), noe som gjør den overlegen sammenlignet med fargefiltre.

Robert Gehlhaar, rektor for teknisk stab hos imec, legger til: – Fordi denne teknikken er kompatibel med standard 300 mm prosessering, kan splitterne produseres kostnadseffektivt. Dette muliggjør ytterligere skalering av høyoppløselige kamera, med det endelige målet å detektere alle innfallende fotoner og dets egenskaper. Vår ambisjon er å bli fremtidens standard for fargeavbildning med diffraksjonsbegrenset oppløsning. Vi ønsker industripartnere velkommen til å bli med oss på denne veien mot en full kamerademonstrasjon.