Utilizzare i punti quantici nei sensori global shutter

ST propone tre possibilità di rendere i sensori o i dispositivi di memoria memoria sempre più convenienti e accessibili.

di Fonte ST 06-01-22
ST ha presentato quattro studi all'ultimo IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2021). Tutti mirano a rendere più accessibili le innovazioni che cambiano il settore. Presentiamo una breve carrellata di ciascuno.

Sensori di immagine Quantum Dot con otturatore globale ottimizzato per infrarossi a onde corte e vicine

Uno degli studi che hanno più affascinato è stato quello presentato da Johnathan Steckel sul primo sensore di immagine con otturatore globale e pixel da 1,62 µm per il vicino infrarosso (NIR) e l'infrarosso a onde corte (SWIR) prodotto su un wafer di silicio da 300 mm. Utilizzando punti quantici di solfuro di piombo, il sensore di immagine risulta significativamente più conveniente rispetto alle alternative all'arseniuro di indio e gallio (InGaAs). Non sfugge all'attenzione il fatto che si tratti di una tecnologia di otturatore globale con un pixel pitch da record che rende possibile catturare agli infrarossi in grande dettaglio. Lo studio apre le porte a nuove possibilità di creare dispositivi mobili, visione artificiale, imaging e spettroscopia iperspettrale, sicurezza e sorveglianza.

Perché i punti quantici?

I punti quantici sono minuscoli cristalli semiconduttori (tra 2 nm e 20 nm in genere). Una delle loro caratteristiche particolari è che le loro proprietà ottiche ed elettriche cambiano con le loro dimensioni. In un sensore di immagine, l'utilizzo di punti quantici di varie dimensioni consente di catturare diverse lunghezze d'onda della luce oltre i limiti di assorbimento del silicio.
Nel documento IEDM 2021 della ST, i ricercatori hanno sintonizzato i punti quantici per catturare la luce a 940 nm e 1400 nm, quest'ultima rivaleggiando con i sensori InGaAs. Tuttavia, i dispositivi di imaging InGaAs sono impegnativi e costosi da realizzare. Utilizzando un processo convenzionale di wafer di silicio da 300 mm nei fabbricati esistenti, la ST può produrre il sensore a punti quantici per l'infrarosso a onde corte a una frazione del costo.

Perché IEDM 2021 e non anni fa?

I punti quantici non sono nuovi e gli scienziati stavano già studiando le loro proprietà nei primi anni '80. Tuttavia, ci sono voluti anni per sintetizzare in modo colloidale cristalli in grado di assorbire la luce infrarossa e per creare dispositivi a film sottile e processi di fabbricazione che fornissero le prestazioni e la stabilità necessarie per le applicazioni del mondo reale. Più specificamente, ST ha sviluppato un processo di produzione che non supererebbe i 150ºC, creando allo stesso tempo metodologie litografiche che preservassero l'integrità del punto quantico.

Lo studio presentato alla IEDM 2021 spiega come ST abbia creato questa tecnologia di sensori di immagine su wafer da 300 mm e le prestazioni e l'affidabilità fino ad oggi. Abbiamo in programma di fornire campioni e kit di potenziali clienti nel 2022 e passare alla produzione di massa nei prossimi anni. Tra le potenziali applicazioni, i dispositivi mobili potrebbero utilizzare i nuovi sensori per migliorare il rilevamento di volti o oggetti. In definitiva, un sensore di immagine SWIR a basso costo e ad alto volume accessibile a tutti i consumatori aprirà le porte a nuovi casi d'uso e applicazioni.

Innovazioni nelle automobili del futuro
Ottimizzazione del sistema di riscaldamento per una solida affidabilità e scalabilità dell'ePCM nella tecnologia FDSOI a 28 nm"

Un secondo studio, condotto sotto la guida di da Rossella Ranica, esamina l'impatto del sistema Heater nella memoria a cambiamento di fase incorporata (ePCM) sulla resistenza e sulla ritenzione. Un PCM utilizza un composto calcogenuro che cambia stato grazie a un elemento riscaldante. Tuttavia, c'è ancora molto da imparare sull'impatto dei vari valori del riscaldatore sulla resistenza e sull'affidabilità delle celle.

Il documento è quindi cruciale perché mostra come la resistenza del riscaldatore influisce su entrambi. Una maggiore resistenza del riscaldatore porterà a una corrente inferiore e a una maggiore durata, ma ridurrà il numero di celle ricristallizzate. Grazie a questi risultati, i microcontrollori automobilistici con ePCM possono gestire meglio questo compromesso e mettere a punto il sistema di riscaldamento.

Dispositivi fotonici al silicio oltre le interconnessioni ottiche

L'IEDM 2021 ha espressamente invitato ST a condurre lo studio firmto da Frederic Boeuf ed esplorare le proprietà fotoniche del silicio in applicazioni diverse da quelle della comunicazione, come un phased array ottico (OPA) e un acceleratore neuromorfo. Invece dei tradizionali dispositivi LiDAR, che utilizzano sensori meccanici, la ST può immaginare di creare un componente senza parti in movimento. I tradizionali dispositivi fotonici al silicio possono già eseguire la scansione e la modellatura del raggio laser per rilevare la presenza e la portata di un soggetto. Tuttavia, l'elevato consumo energetico rappresenta un problema significativo quando si implementa la tecnologia nell'elettronica di consumo.

Piuttosto che i classici dispositivi termo-ottici, il documento discute l'uso di un modulatore elettro-ottico, inclusi diodi Si-PiN e dispositivi ibridi III-V/Si. Di conseguenza, il documento presenta una soluzione LiDAR più robusta, efficiente ed economica. Le attuali tabelle di marcia del settore prevedono il lancio di tali dispositivi intorno al 2025. Inoltre, in collaborazione con l'Università di Tokyo, il documento discute in che modo i dispositivi ibridi III-V/Si potrebbero avvantaggiare le reti neurali basate sulla fotonica di Si. Infatti, consentendo operazioni di moltiplicazione e addizione a bassa potenza alla velocità della luce, la fotonica del silicio potrebbe trasformare i calcoli neuromorfici.

(lo)
  • Wafer di qualificazione della tecnologia QF che mostra le strutture di test del fotodiodo QF elementare (a), i chip di test della matrice di pixel (b) e i prodotti del sensore di immagine completa (c)
  • Immagini scattate con il sensore NIR QF da 940 nm (in alto a sinistra) e con il sensore SWIR QF da 1400 nm (in basso a sinistra). Immagini corrispondenti scattate utilizzando una fotocamera dello smartphone visibile (a destra).
  • 0,019μm2 layout della cella dell'architettura della parete PCM e sezioni trasversali TEM lungo (b) Fig.2: descrizione della sequenza di flusso PCM focalizzata sulla parete del riscaldatore WL e lungo (c) BL
  • A sinistra: principio di funzionamento di un'OPA