回折光を画素に閉じ込めることでCMOSイメージセンサーのIR感度を大幅に向上
IR sensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trapping pixels
2017年6月19日 Scientific Reports 7 : 3832 doi: 10.1038/s41598-017-04200-y
結晶シリコン（c-SI）表面に各々が逆ピラミッド形状を有する2次元アレイ状の光回折構造（IPA）と深い素子分離構造（DTI）を形成することで、裏面照射型CMOSイメージセンサー（BI- CIS）のIR感度の向上を実現した。ピッチが400 nmを超える IPAを表面に実装したc-SiのFDTDシミュレーションでは、λ＝850 nmでの光吸収率が平坦な表面に比べて30％以上向上することが示され、更にピッチ540 nmでは同波長での光吸収率の向上が最大で43％になることが確かめられた。また400 nmピッチのIPAを実装した1.2μm角の画素を有するプロトタイプのBI-CISサンプルでは、平坦な表面の参照用サンプルと比べて、λ＝850 nmで80％の感度向上を示した。これは、IPAによる光回折と画素境界での全反射により実効的な光路長が伸びたことに起因する。λ＝700～1200 nmを透過するバンドパスフィルタを備えたデモカメラで撮影されたNIR画像は、参照用サンプルの場合に対して75％の感度向上を示し、空間分解能はほとんど低下しなかった。光閉じ込め構造を有するCIS画素技術は、NIR感度の向上が見込まれ、監視カメラ、個人認証、IR光照射によるTime-of-Flight方式の距離測定カメラなど、さまざまな撮像センサーへの応用が期待できる。
Corresponding Author
We report on the IR sensitivity enhancement of back-illuminated CMOS Image Sensor (BI-CIS) with 2-dimensional diffractive inverted pyramid array structure (IPA) on crystalline silicon (c-Si) and deep trench isolation (DTI). FDTD simulations of semi-infinite thick c-Si having 2D IPAs on its surface whose pitches over 400 nm shows more than 30% improvement of light absorption at λ = 850 nm and the maximum enhancement of 43% with the 540 nm pitch at the wavelength is confirmed. A prototype BI-CIS sample with pixel size of 1.2 μm square containing 400 nm pitch IPAs shows 80% sensitivity enhancement at λ = 850 nm compared to the reference sample with flat surface. This is due to diffraction with the IPA and total reflection at the pixel boundary. The NIR images taken by the demo camera equip with a C-mount lens show 75% sensitivity enhancement in the λ = 700–1200 nm wavelength range with negligible spatial resolution degradation. Light trapping CIS pixel technology promises to improve NIR sensitivity and appears to be applicable to many different image sensor applications including security camera, personal authentication, and range finding Time-of-Flight camera with IR illuminations.
