Imec zeigte eine neue Methode zur originalgetreuen Farbtrennung mit Submikrometer-Auflösung unter Verwendung von Standard-Back-End-of-Line-Verarbeitung auf 300 mm-Wafern. Die Technologie soll die Leistung von High-End-Kameras verbessern, indem sie ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, eine bessere Farbqualität und eine noch nie dagewesene ­räumliche Auflösung liefert.

Bei der Entwicklung von CMOS-Bildsensoren der kommenden Generation muss ein Gleichgewicht zwischen dem Erfassen aller eintreffenden Photonen, einer Auflösung bis zur Photonengröße beziehungsweise Beugungsgrenze und dem genauen Erfassen der Lichtfarbe gefunden werden. Herkömmliche Bildsensoren mit Farbfiltern auf den Pixeln sind bei der Kombination aller drei Anforderungen immer noch eingeschränkt. Eine höhere Pixeldichte würde zwar die Gesamtauflösung des Bildes erhöhen. Aber kleinere Pixel fangen noch weniger Licht ein und sind anfällig für Artefakte, die durch die Interpolation von Farbwerten aus benachbarten Pixeln entstehen. Auch wenn diffraktionsbasierte Farbteiler einen Fortschritt beim Erhöhen der Farbempfindlichkeit und der Lichterfassung sind, können sie die Bildauflösung dennoch nicht verbessern.

Alle Photonen und die genaue Lichtfarbe erfassen

Imec schlägt nun einen grundlegend neuen Weg für die Aufteilung von Farben bei Sub­mikron-Pixelgrößen (jenseits der fundamentalen Abbe-Beugungsgrenze) mit einer Standard-Backend-Verarbeitung vor. Dieser Ansatz erfüllt alle Voraussetzungen für die nächste Generation von Bildgebungs­geräten, indem er nahezu alle Photonen erfasst, die Auflösung durch die Verwendung sehr kleiner Pixel erhöht und die Farben originalgetreu wiedergibt. Um dies zu erreichen, haben die Forscher von Imec eine Anordnung von vertikalen Si3N4-Multimode-Wellen­leitern in einer SiO2-Matrix realisiert. Die Wellenleiter haben einen sich verjüngenden, beugungsbegrenzten Eingang (zum Beispiel 800 x 800 nm²), um das gesamte einfallende Licht zu sammeln.

„In jedem Wellenleiter regen die einfallenden Photonen sowohl symmetrische als auch asymmetrische Moden an, die sich unterschiedlich durch den Wellen­leiter ausbreiten, was zu einem einzigartigen Schwebungsmuster zwischen den beiden Moden für eine bestimmte Frequenz führt. Dieses ermöglicht eine räumliche Trennung am Ende der Wellenleiter, die einer bestimmten Farbe entspricht“, erklärt Prof. Jan Genoe, wissenschaftlicher Direktor bei Imec. Die Gesamt­ausbeute an Licht aus jedem Wellenleiter liegt schätzungsweise bei über 90 Prozent innerhalb des Bereichs der menschlichen Farbwahrnehmung und ist damit Farbfiltern überlegen.

Robert Gehlhaar, leitender technischer Mitarbeiter bei Imec: „Da diese Technik mit der standardmäßigen 300-mm-Verarbeitung kompatibel ist, lassen sich die Splitter kosteneffizient herstellen. Dies ermöglicht eine weitere Skalierung der hochauflösenden Imager, mit dem Ziel, jedes einfallende Photon und seine Eigenschaften zu erfassen. Unser Ziel ist es, der zukünftige Standard für die Farbbildgebung mit beugungsbegrenzter Auflösung zu werden. Wir laden Industriepartner ein, sich gemeinsam mit uns auf den Weg zur vollständigen Demons­tration der Kamera zu machen.“