ST如何在300毫米晶圆上创建量子图像传感器技术

ST 在 IEEE 国际电子器件会议（IEDM 2021）上提交了四篇论文。其中一个是主办方的邀请，另一个是与三星合作的成果。所有这些都旨在使改变行业的创新更容易获得。事实上，三星和 ST 展示了第一款采用新工艺的 18 nm FDSOI 微控制器。同样，其他论文希望在未来几年内使传感器或存储器更具成本效益。因此，让我们深入了解 ST 在此次活动中展示的一些论文。

“针对近波和短波红外优化的 1.62μm 全局快门量子点图像传感器”

IEDM 2021 有什么新功能？

其中一个引人注目的是 Johnathan Steckel 领导的一篇论文，该论文介绍了在 300 mm 硅晶片上生产的用于近红外 （NIR） 和短波红外 （SWIR） 的第一个 1.62 µm 像素间距全局快门图像传感器。使用硫化铅量子点，图像传感器比砷化铟镓 （InGaAs） 替代品更具成本效益。此外，它是一种全局快门技术，具有创纪录的小像素间距和出色的效率。因此，可以在光谱的红外部分捕获更多细节。因此，该论文为移动设备、机器视觉、高光谱成像和光谱学、安全和监控创造了新的机会。

为什么是量子点？

量子点是微小的（通常在 2 nm 到 20 nm 之间）半导体晶体。它们的独特特性之一是它们的光学和电学特性随其尺寸而变化。在图像传感器中，使用各种尺寸的量子点可以捕获超出硅吸收限制的不同波长的光。在 ST 的 IEDM 2021 论文中，研究人员调整量子点以捕获 940 nm 和 1400 nm 光，后者可与 InGaAs 传感器相媲美。然而，InGaAs 成像设备具有挑战性且制造成本高。在现有晶圆厂中使用传统的 300 毫米硅晶圆工艺，ST 可以以极低的成本生产用于短波红外的量子点传感器。

为什么是 IEDM 2021 而不是几年前？

量子点并不新鲜，早在 1980 年代早期，科学家们就已经在研究它们的特性1。然而，胶体合成可以吸收红外光的晶体并创造出能够产生实际应用所需的性能和稳定性的薄膜器件和制造工艺需要数年时间。更具体地说，ST 开发了一种不会超过 150ºC 的制造工艺，同时还创造了可以保持量子点完整性的光刻方法。

IEDM 2021 论文详细解释了 ST 如何在 300 毫米晶圆上创建这种图像传感器技术，并描述了迄今为止所达到的性能和可靠性。我们计划在 2022 年向潜在客户提供样品和评估套件，并在未来几年转向量产。在潜在的应用中，移动设备可以使用新传感器来改进面部或物体检测。最终，所有消费者都可以使用的低成本大容量 SWIR 图像传感器将为新的用例和应用打开大门。

未来汽车的创新

“加热器系统优化，可在 28nm FDSOI 技术中实现强大的 ePCM 可靠性和可扩展性”

PCM 壁结构的 0.019μm2 单元布局和沿 （b） 的 TEM 横截面 图 2：针对加热器壁 WL 和沿 （c） BL 的 PCM 流动序列描述

由 Rossella Ranica 领导的另一篇论文着眼于嵌入式相变存储器 （ePCM） 中的加热器系统对耐用性和保持力的影响。正如我们已经解释过的，PCM 使用硫族化合物，该化合物通过加热元件改变状态。然而，关于各种加热器值对电池耐久性和可靠性的影响，还有很多需要了解。因此，该论文至关重要，因为它显示了加热器电阻如何影响两者。较高的加热器电阻会导致较低的电流和更大的耐用性，但会减少再结晶单元的数量。由于这些发现，具有 ePCM 的汽车微控制器可以更好地管理这种权衡并微调加热器系统。

“超越光互连的硅光子学”

天线阵列通过相长干涉产生波束。方位角由每个天线相位确定。视场由 +/- 1 级干涉决定，右图：混合 InP/Si 波导的 TEM 横截面

IEDM 2021 还邀请了由 Frederic Boeuf 领导的 ST 论文，探讨硅光子在通信以外的其他应用中的应用，例如光学相控阵 （OPA） 和神经形态加速器。与使用机械传感器的传统 LiDAR 设备不同，ST 可以设想创建一个没有移动部件的组件。传统的硅光子设备已经可以执行激光束扫描和整形以检测对象的存在和范围。然而，在消费电子产品中实施该技术时，高功耗是一个重大问题。

本文讨论了电光调制器的使用，而不是经典的热光器件，包括 Si-PiN 二极管和混合 III-V/Si 器件。因此，本文提出了一种更强大、更高效、更具成本效益的 LiDAR 解决方案。目前的行业路线图将此类设备的发布时间定在 2025 年左右。此外，本文与东京大学合作，讨论了混合 III-V/Si 设备如何使基于硅光子学的神经网络受益。事实上，通过以光速实现低功耗乘法和加法运算，硅光子学可以改变神经形态计算。

审核编辑：郭婷