硅基彩色滤光片可突破像素缩小限制
2017-04-28 23:04:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

由美国和韩国三星先进技术研究院（Samsung Advanced Institute of Technology；SAIT）的研究人员组成的跨国研究团队共同开发一款新型的硅基RGB彩色滤光片，可用于配合CMOS图像传感器持续缩小的像素尺寸要求。

过去十年来，虽然像素尺寸已经大幅缩小了（从超过10μm缩至不到2μm），但要设计出能因应像素尺寸缩小的高效率彩色滤光片仍然是一大挑战。

研究人员在《纳米通讯》（Nano Letters）期刊发表的“可见波长彩色滤光片以介电质次波长光闸实现背照式CMOS图像传感器技术」（Visible Wavelength Color Filters Using Dielectric Subwavelength Gratings for Backside-Illuminated CMOS Image Sensor Technologies）一文中强调，在数字彩色成像中的RGB彩色滤光片经常使用掺杂染料的聚合物，并弃置绝对效率较低（约40-50%）的等离子彩色滤光片，而以简单的电介质次波长光闸来取代，这种传统途径的效果十分有限。

贝尔图（Bayer pattern）上约1μm像素的滤光片SEM影像图（比例尺为500nm）

因此，研究人员以5μm至1μm范围的不同像素尺寸创造了几种彩色滤光片设计（硅光电二极体上的RGB贝尔图案）。这种微型光栅采用硅光电二极体层上SO2隔离层顶部的多晶硅（poly-Si）制造的，经证实能实现高效率的传输，而几乎不受光入射角度的影响。 对光入射角度较不敏感。

研究人员以不同的电洞气孔图案进行实验后发现，最佳化的RGB彩色滤光片结构是由80nm厚多晶硅板与气孔组成，并在背照式（BSI）硅光电二极体上放置一层115nm厚的SiO2隔离层。红色部份是由六边形晶格上的90nm直径气孔与250nm周期组成，绿色部份采用在方形晶格上的180nm周期与140nm直径气孔设计，而蓝色的设计则是在六角形晶格上的240nm直径气孔与270nm周期。

根据该论文解释，相较于基于染料的滤光片，基于电介质的滤光片在紫外线照射和高温下可提供更好的可靠性。同时，「由于该结构的旋转对称特性，光谱响应对于一般入射的偏振较不敏感，而且，对每一种颜色来说，重要的是在缩小像素尺寸的同时必须维持所传送的色彩，但滤光片对于角度响应相对较不敏感。」

更重要的是，电介质光栅彩色滤光片更易于进行定制化，且相容于微米级与次微米级像素尺寸。为了让滤光片的制造更相容于CMOS后端工艺，可以采用脉冲激光低温退火过程，制备低损耗的多晶硅层，以取代研究人员在其实验中使用的高温退火过程。

研究人员表示，「再者，借由利用空间设计的自由度改变相位、振幅以及次波长光闸所能传输的偏振，就能以硅光电二极体层顶部的一层电介质次波长光闸，取代传统染料掺杂的彩色滤光片以及CIS像素顶部的微镜。」

最终，三星（Samsung）是否将会授权该IP，或者保留于其产品组合，并用于自家的传感器解决方案中，则有待时间的证明。

延伸阅读：

《CMOS图像传感器产业现状》