突破相机感光元件性能极限，imec全新次微米画素彩色成像技术
本周举行的 2023 年 IEEE 国际电子会议（IEDM），比利时微电子研究中心（imec）展示一套次微米（sib-micron）等级解析度忠实分割色彩的全新技术，采用的是在 12 寸晶圆上制造的传统后段制程。此技术预计用来提升高阶相机的性能，带来更高的讯噪比（SNR），并以前所未见的超高空间解析度来强化彩色成像品质。
Imec 表示，设计新一代的 CMOS 影像感测器必须在三种需求之间取得平衡，包含接收所有的入射光子，达到光子尺寸或绕射极限的解析度，以及准确纪录光源的色彩。在画素上配备彩色滤光片的传统影像感测器依然难以满足上述的所有需求。增加画素密度固然会提升整体的影像解析度，但画素尺寸变小，捕获的光源也会变少，还会因为要从邻近画素内插其它的色彩数值而容易产生假影。虽然基于绕射原理的彩色分光器在增加色彩敏感度和捕获光源方面取得了重大进展，但还是无法改良影像解析度。
而 imec 现在提出一套全新方法，运用标准的后段制程就能在次微米等级的画素尺寸下分割色彩，成功超越基本的阿贝绕射极限（Abbe diffraction limit）。这套方法能够满足所有对新一代影像感测器的需求，包含接收几乎所有的光子，利用极小尺寸的画素来提高解析度，并且如实地呈现彩色影像。为了实现这点，imec 研究团队在二氧化硅（SiO2）矩阵建立由氮化硅 （Si3N4） 垂直多模波导组成的阵列。这些波导设有一个尺寸达到绕射极限如 800nm² 的锥型输入埠，用来接收所有的入射光。
imec 技术总监 Jan Genoe 指出，在每个波导内，入射光子会同时激发对称型及非对称型模态，这两种模态在波导内的传播不同，所以在一个已知频率下会在两种模态之间形成独特的 『拍频』 波形。这种拍频波形可以对应某一个特定色彩在波导末端实现空间分光功能。” 每个波导所输生的所有光源预计会有 90% 落在肉眼可见的色彩范围 （波长为 400~700 纳米），表现优于彩色滤光片。
Imec 技术研究专案经理 Robert Gehlhaar 表示，因为这项技术可与标准的 12 寸晶圆制程相容，导入这套技术的分光器就以符合成本效益的方式制造。这就能进一步推动高解析度影像感测器的性能升级，最终目标是侦测到每个入射光子及其所属特性。我们的抱负是成为彩色成像技术的未来标竿，达到绕射极限等级的解析度。诚挚邀请产业伙伴加入，迈向以相机全面展示这项技术的研发之路。
（首图来源：SONY）
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