過(guò)去十年來(lái)，雖然像素尺寸已經(jīng)大幅縮小了，但要設(shè)計(jì)出能因應(yīng)像素尺寸縮小的高效率彩色濾光片仍然是一大挑戰(zhàn)…

由美國(guó)和韓國(guó)三星先進(jìn)技術(shù)研究院(Samsung Advanced Institute of Technology；SAIT)的研究人員組成的跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)一款新型的硅基RGB彩色濾光片，可用于配合CMOS影像傳感器持續(xù)縮小的像素尺寸要求。

過(guò)去十年來(lái)，雖然像素尺寸已經(jīng)大幅縮小了(從超過(guò)10μm縮至不到2μm)，但要設(shè)計(jì)出能因應(yīng)像素尺寸縮小的高效率彩色濾光片仍然是一大挑戰(zhàn)。

研究人員在《奈米通訊》(Nano Letters)期刊發(fā)表的“可見(jiàn)波長(zhǎng)彩色濾光片以介電質(zhì)次波長(zhǎng)光閘實(shí)現(xiàn)背照式CMOS影像傳感器技術(shù)”(Visible Wavelength Color Filters Using Dielectric Subwavelength Gratings for Backside-Illuminated CMOS Image Sensor Technologies)一文中強(qiáng)調(diào)，在數(shù)位彩色成像中的RGB彩色濾光片經(jīng)常使用摻雜染料的聚合物，并棄置絕對(duì)效率較低(約40-50%)的等離子彩色濾光片，而以簡(jiǎn)單的電介質(zhì)次波長(zhǎng)光閘來(lái)取代，這種傳統(tǒng)途徑的效果十分有限。

因此，研究人員以5μm至1μm范圍的不同像素尺寸創(chuàng)造了幾種彩色濾光片設(shè)計(jì)(硅光電二極體上的RGB貝爾圖案)。這種微型光柵采用硅光電二極體層上SO2隔離層頂部的多晶硅(poly-Si)制造的，經(jīng)證實(shí)能實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸，而幾乎不受光入射角度的影響。 對(duì)光入射角度較不敏感。

研究人員以不同的電洞氣孔圖案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，最佳化的RGB彩色濾光片結(jié)構(gòu)是由80nm厚多晶硅板與氣孔組成，并在背照式(BSI)硅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，綠色部份采用在方形晶格上的180nm周期與140nm直徑氣孔設(shè)計(jì)，而藍(lán)色的設(shè)計(jì)則是在六角形晶格上的240nm直徑氣孔與270nm周期。

根據(jù)該論文解釋，相較于基于染料的濾光片，基于電介質(zhì)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(shí)，“由于該結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，光譜響應(yīng)對(duì)于一般入射的偏振較不敏感，而且，對(duì)每一種顏色來(lái)說(shuō)，重要的是在縮小像素尺寸的同時(shí)必須維持所傳送的色彩，但濾光片對(duì)于角度響應(yīng)相對(duì)較不敏感。”

更重要的是，電介質(zhì)光柵彩色濾光片更易于進(jìn)行客制化，且相容于微米級(jí)與次微米級(jí)像素尺寸。為了讓濾光片的制造更相容于CMOS后端制程，可以采用脈沖雷射低溫退火過(guò)程，制備低損耗的多晶硅層，以取代研究人員在其實(shí)驗(yàn)中使用的高溫退火過(guò)程。

研究人員表示，“再者，借由利用空間設(shè)計(jì)的自由度改變相位、振幅以及次波長(zhǎng)光閘所能傳輸?shù)钠瘢湍芤怨韫怆姸O體層頂部的一層電介質(zhì)次波長(zhǎng)光閘，取代傳統(tǒng)染料摻雜的彩色濾光片以及CIS像素頂部的微鏡。”

最終，三星(Samsung)是否將會(huì)授權(quán)該IP，或者保留于其產(chǎn)品組合，并用于自家的傳感器解決方案中，則有待時(shí)間的證明。