由美國和韓國三星先進技術研究院(Samsung Advanced Institute of Technology;SAIT)的研究人員組成的跨國研究團隊共同開發一款新型的矽基RGB彩色濾光片,可用於配合CMOS影像感測器持續縮小的畫素尺寸要求。

過去十年來,雖然畫素尺寸已經大幅縮小了(從超過10μm縮至不到2μm),但要設計出能因應畫素尺寸縮小的高效率彩色濾光片仍然是一大挑戰。

研究人員在《奈米通訊》(Nano Letters)期刊發表的「可見波長彩色濾光片以介電質次波長光閘實現背照式CMOS影像感測器技術」(Visible Wavelength Color Filters Using Dielectric Subwavelength Gratings for Backside-Illuminated CMOS Image Sensor Technologies)一文中強調,在數位彩色成像中的RGB彩色濾光片經常使用摻雜染料的聚合物,並棄置絕對效率較低(約40-50%)的等離子彩色濾光片,而以簡單的電介質次波長光閘來取代,這種傳統途徑的效果十分有限。

20170427_CF_NT01P2 貝爾圖(Bayer pattern) 上約1μm畫素的濾光片SEM影像圖(比例尺為500nm)

因此,研究人員以5μm至1μm範圍的不同畫素尺寸創造了幾種彩色濾光片設計(矽光電二極體上的RGB貝爾圖案)。這種微型光柵採用矽光電二極體層上SO2隔離層頂部的多晶矽(poly-Si)製造的,經證實能實現高效率的傳輸,而幾乎不受光入射角度的影響。 對光入射角度較不敏感。

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研究人員以不同的電洞氣孔圖案進行實驗後發現,最佳化的RGB彩色濾光片結構是由80nm厚多晶矽板與氣孔組成,並在背照式(BSI)矽光電二極體上放置一層115nm厚的SiO2隔離層。紅色部份是由六邊形晶格上的90nm直徑氣孔與250nm周期組成,綠色部份採用在方形晶格上的180nm周期與140nm直徑氣孔設計,而藍色的設計則是在六角形晶格上的240nm直徑氣孔與270nm周期。

根據該論文解釋,相較於基於染料的濾光片,基於電介質的濾光片在紫外線照射和高溫下可提供更好的可靠性。同時,「由於該結構的旋轉對稱特性,光譜響應對於一般入射的偏振較不敏感,而且,對每一種顏色來說,重要的是在縮小畫素尺寸的同時必須維持所傳送的色彩,但濾光片對於角度響應相對較不敏感。」

更重要的是,電介質光柵彩色濾光片更易於進行客製化,且相容於微米級與次微米級畫素尺寸。為了讓濾光片的製造更相容於CMOS後端製程,可以採用脈衝雷射低溫退火過程,製備低損耗的多晶矽層,以取代研究人員在其實驗中使用的高溫退火過程。

研究人員表示,「再者,藉由利用空間設計的自由度改變相位、振幅以及次波長光閘所能傳輸的偏振,就能以矽光電二極體層頂部的一層電介質次波長光閘,取代傳統染料摻雜的彩色濾光片以及CIS畫素頂部的微鏡。」

最終,三星(Samsung)是否將會授權該IP,或者保留於其產品組合,並用於自家的感測器解決方案中,則有待時間的證明。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Doing away with dyes, researchers shrink pixel colour filters,by Julien Happich)