可見光與短波紅外（SWIR）的高光譜成像以往均需要昂貴的多芯片或多攝像頭解決方案才能實現(xiàn)，且短波紅外的分辨率較低。據(jù)麥姆斯咨詢報道，索尼研究人員今年通過MEMS銅-銅鍵合工藝解決了這一難題。

近年來，人們對短波紅外（在1000到2000納米之間）波段的成像需求不斷攀升。這些短波紅外傳感器在食品檢驗等行業(yè)至關(guān)重要，它們可以提供探測物體內(nèi)部的能力，例如，可通過早期探測蘋果瘀傷，來防止整個蘋果變壞（如圖1a）。

類似地，可以探測物質(zhì)反射的特征短波紅外波長（如圖1b）并防止有毒食品污染物進入供應(yīng)鏈。這樣就可以利用這種非常經(jīng)濟且高效的工具，來識別出復雜混合物中的少量污染物。例如，2015年的研究表明混雜了馬肉的牛肉可以利用可見光（515、595、650納米）到短波紅外（880納米）波段的四種波長進行快速識別（論文鏈接為：https://link.springer.com/article/10.1007/s11947-015-1470-7）。

圖1 短波紅外成像可以看到以往不可見的細節(jié)，如擦傷或表皮以下部分。我們比較了可見光（如圖a左圖）和短波紅外傳感器捕獲的圖像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有短波紅外圖像可顯示出蘋果的瘀傷和缺陷（如圖a右圖）。同時不同化學物質(zhì)以高度特定的波長吸收短波紅外波段，從而產(chǎn)生獨特的吸收光譜。因此利用短波紅外成像可識別食物中的污染物。圖b左圖由可見光傳感器拍攝（圖b右圖由短波紅外傳感器拍攝），圖b中從左至右的物質(zhì)分別為鹽、糖和土豆淀粉。

事實上，高光譜成像技術(shù)在未來預防食品污染領(lǐng)域可能將發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此，包括歐盟和美國在內(nèi)的諸多政府已批準并正在資助該項目，以進一步評估其潛力。

短波紅外成像對安全、天文學等不同領(lǐng)域也有著重要意義，如從硅晶圓、平板顯示器檢測到藝術(shù)品修復，從藥物研發(fā)到自動駕駛汽車。2018年的研究表明，短波紅外成像甚至能夠可視化腦瘤并實現(xiàn)非侵入性檢測（論文鏈接為：https://doi.org/10.3390/s18020430）。

傳統(tǒng)短波紅外傳感器的功能

傳統(tǒng)情況下，短波紅外成像無法使用與可見光成像相同的傳感器技術(shù)。在可見光（400 nm – 700 nm）應(yīng)用中，通常采用CMOS圖像傳感器，可以使可見光傳感器的像素間距迅速縮小，從而提供更高的分辨率。此外，CMOS還可實現(xiàn)數(shù)字輸出。然而，CMOS無法捕捉波長超過1100 nm的光。

為了克服這一問題，短波紅外成像采用了銦鎵砷（InGaAs）技術(shù)。然而傳統(tǒng)的InGaAs技術(shù)分辨率很低，并且凸點鍵合（bump bonding）的性質(zhì)阻止了器件的進一步微型化（圖2）。此外，這種鍵合工藝可產(chǎn)生模擬輸出，而傳統(tǒng)的InGaAs短波紅外傳感器結(jié)構(gòu)則阻止了可見光到達光電轉(zhuǎn)換層。

傳統(tǒng)InGaAs短波紅外傳感器不僅圖像分辨率很低，而且制造能夠同時捕捉可見光和短波紅外的高光譜相機成本也非常高。下文將仔細分析如何通過一種新的工藝技術(shù)來解決這三個關(guān)鍵的限制（分辨率、靈敏度和模擬輸出）。

圖2 左圖為傳統(tǒng)InGaAs短波紅外傳感器結(jié)構(gòu)——讀出電路（ROIC）與bump連接；右圖為Cu-Cu連接，器件尺寸明顯縮小。

分辨率的提升

分辨率和微型化問題主要來自于InGaAs層（光電轉(zhuǎn)換發(fā)生）與讀出電路（硅層）之間傳統(tǒng)的bump連接，通過在光電二極管陣列（PDA）的III-V InGaAs / InP（銦砷化鎵、磷化銦）層與硅層間采用Cu-Cu雜化可以解決該問題。

2019年12月，這種新工藝方法由索尼研究團隊在2019年IEEE國際電子器件會議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上首次提出，并于2020年2月被收錄于IEEE Xplore（論文鏈接為：https://ieeexplore.ieee.org/document/8993432）。這種方法為下一代短波紅外傳感器打開了更高像素密度的大門，并使打造更小尺寸和更高分辨率的傳感器成為可能。

使用傳統(tǒng)bump-bonding工藝的短波紅外芯片的像素間距約為10 μm。而第一代基于新技術(shù)的短波紅外傳感器可將像素間距縮小到5 μm，在同一空間內(nèi)使像素數(shù)提高了四倍，以1/2-type（對角線8.2 mm）封裝創(chuàng)建SXGA（1296 × 1032）分辨率短波紅外傳感器，以1/4-type（對角線4.1 mm）封裝創(chuàng)建VGA（656 × 520）分辨率傳感器。

靈敏度的提升

同一傳感器如同時具有捕獲短波紅外和可見光的能力，可顯著降低需要高光譜成像應(yīng)用的成本。減少InP層的厚度使該想法成為可能，InP層對于傳統(tǒng)傳感器來說是可見光穿透的關(guān)鍵限制因素。

較薄的InP層降低了可見光的吸收，并使其能夠傳輸?shù)较旅娴腎nGaAs層。因此，在0.4 μm到1.7 μm（400 nm到1650 nm相對量子效率》70%）的寬波長范圍內(nèi)成像是可能的。此外，較薄的InP層提升了短波紅外波長的相對量子效率，900 nm到1600 nm波長范圍內(nèi)，光透過InP層比率可達90%以上（圖3）。

圖3 隨著InP厚度的減薄，較短的波長（可見光）可以穿透InGaAs層并被探測到。

這一改進使傳感器可同時捕獲短波紅外和可見光的高光譜圖像，從而大幅減少圖像相機系統(tǒng)的運算負荷，也使整個系統(tǒng)的成本優(yōu)于多傳感器解決方案。

實現(xiàn)數(shù)字模擬輸出

通過使用Cu-Cu雜化，InGaAs傳感器也可直接輸出數(shù)字信號，而無需使用數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。因此該方法在簡化設(shè)計的同時，賦予短波紅外相機與當前工業(yè)CMOS圖像傳感器相同的性能。

結(jié)論

高光譜和短波紅外技術(shù)為食品和農(nóng)業(yè)質(zhì)量檢驗以及污染檢測帶來了巨大好處。顯而易見，這些技術(shù)還可以廣泛用于藝術(shù)品修復、醫(yī)藥以及汽車等諸多行業(yè)。

利用Cu-Cu鍵合取代bump連接，可以顯著改善傳統(tǒng)InGaAs傳感器的限制：將像素密度提高四倍，并在單芯片上實現(xiàn)短波紅外和可見光成像，以及實現(xiàn)數(shù)字輸出。

圖4 IMX990短波紅外圖像傳感器，左圖為陶瓷LGA封裝，右圖為陶瓷PGA封裝

索尼于2020年5月首次推出其基于Cu-Cu鍵合技術(shù)的兩款短波紅外傳感器：IMX990和IMX991。
責任編輯:pj