SWIR（short-wavelength infrared：短波紅外）圖像傳感器在各行各業(yè)的質(zhì)量檢測中至關(guān)重要。SWIR 光譜是可見光波段以外的一系列紅外光譜，可用于產(chǎn)品檢測以檢測人眼不可見的微小缺陷或污染物。索尼最近開發(fā)的 SWIR 圖像傳感器通過部署業(yè)界最小的 5 ?m像素，實現(xiàn)了更小尺寸和更多像素。該圖像傳感器無與倫比，因為其動態(tài)范圍還涵蓋了可見光光譜。這種獨一無二的圖像傳感器背后是一個在開發(fā)過程中前所未有的挑戰(zhàn)故事。如何克服這些挑戰(zhàn)的故事揭示了只有索尼半導(dǎo)體解決方案集團（以下簡稱“集團”）擁有的專業(yè)知識。

　　索尼首先指出，SWIR（短波紅外線）是一種特殊范圍的紅外線。可以使用熱成像相機來檢測某些范圍的紅外光，以測量例如人體的溫度。其他人有不同的屬性。SWIR 是介于 0.9 和 2.5 ?m 之間的波長范圍。

　　它在反射和吸收方面有別于可見光的特性，而 SWIR 圖像傳感器利用這些特性將人眼無法感知的事物可視化。同時，一些材料允許短波紅外光穿透，這使得檢查這些材料背后的東西成為可能。

　　這種光的散射也比可見光少，而且這種特性對于在有霧或有霧的環(huán)境中可視化物體很有用。

　　得益于其原創(chuàng)技術(shù)，索尼開發(fā)的 SWIR 圖像傳感器不僅可以在高達 1.7 ?m 的范圍內(nèi)進行可視化，還可以捕獲可見光譜中的圖像。

　　從應(yīng)用上看，索尼指出，SWIR 光具有穿透硅和可視化霧的特性。利用這些特性，圖像傳感器可應(yīng)用于各種行業(yè)，包括半導(dǎo)體和食品生產(chǎn)，主要用于檢測目的。以半導(dǎo)體行業(yè)為例，半導(dǎo)體晶圓通常由吸收可見光的硅制成。在可見光條件下使用傳統(tǒng)數(shù)碼相機，它看起來就像一塊普通的金屬板。同時，短波紅外穿透硅。因此，當(dāng)在配備 SWIR 圖像傳感器的相機捕獲的圖像中進行可視化時，芯片看起來像一塊透明的玻璃板，并且可以檢測到晶片內(nèi)的裂縫或半導(dǎo)體中的污染物。

　　除此之外，水在自然可見光下是透明的，但它會吸收短波紅外波段內(nèi)的特定波長，因此在捕獲的圖像中會呈現(xiàn)彩色。該特性可用于檢測水分，因此該傳感器可用于食品檢測，例如檢測在可見光下難以檢測的水果上的瘀傷和劃痕。

　　在問到這類傳感器的設(shè)計難度時，索尼回應(yīng)道：SWIR 圖像傳感器已經(jīng)應(yīng)用于許多行業(yè)，但它們存在重大的技術(shù)問題。其中之一是像素大小。傳統(tǒng)傳感器中的像素很大，并且尺寸使得在一個傳感器中放置多個像素變得困難。它對提高決議提出了挑戰(zhàn)。在圖像質(zhì)量方面，也很難獲得清晰的圖像，因此相機制造商不得不安排繁重的后期處理。此外，由于傳感器是模擬類型，相機必須將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這給相機的處理電路帶來了很大的壓力，并且需要設(shè)計知識來實現(xiàn)它。他們進一步指出，傳統(tǒng)的 SWIR 圖像傳感器使用凸塊連接，其中包括金屬球?qū)⑾袼貎?nèi)的磷化銦層與硅層連接起來。為了使用凸點連接減小像素尺寸，需要將金屬球精確對準(zhǔn)微米級的凸點間距，這本身就很難實現(xiàn)。這一技術(shù)難點阻礙了像素的小型化，導(dǎo)致圖像傳感器價格上漲。

　　正因為考慮到使用凸塊連接阻礙了 SWIR 圖像傳感器的小型化。索尼使用 Cu-Cu 連接來解決這個問題，這是索尼多年來為圖像傳感器開發(fā)的堆疊技術(shù)。按照索尼的說法，在堆疊背照式 CMOS 圖像傳感器部分（頂部芯片）和邏輯電路（底部芯片）時，通過連接的 Cu（銅）焊盤提供電連續(xù)性的技術(shù)。與通過貫穿像素區(qū)域周圍的電極實現(xiàn)連接的硅通孔 （TSV） 布線相比，這種方法提供了更多的設(shè)計自由度、提高了生產(chǎn)率、允許更緊湊的尺寸并提高了性能。這項技術(shù)將使以微間距對齊像素成為可能。

　　同時，傳統(tǒng)的圖像傳感器使用硅作為光電轉(zhuǎn)換層，但這種材料不吸收 SWIR 范圍的光。因此，索尼使用砷化銦鎵 （InGaAs） 作為能夠吸收 SWIR 光譜并將光能轉(zhuǎn)換為電信號的光電二極管材料。這種材料以前從未用于索尼的圖像傳感器中，但是，索尼的另一個部門擁有生產(chǎn) InGaAs 的化合物半導(dǎo)體技術(shù)。

　　此外，集團擁有將光能轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路技術(shù)。事實上，索尼已經(jīng)掌握了應(yīng)對挑戰(zhàn)的必要技術(shù)，包括 SWIR 圖像傳感器所需的化合物半導(dǎo)體技術(shù)。索尼認為，通過結(jié)合這些技術(shù)，有可能以前所未有的微型規(guī)模實現(xiàn) SWIR 圖像傳感器，并增加像素數(shù)。

　　索尼表示，公司已經(jīng)相信該集團的技術(shù)專長能夠取得成功，因此他們專注于部署集團的技術(shù)，使最終的圖像傳感器對客戶有用。索尼做的第一件事是采用列并行 A/D 轉(zhuǎn)換電路，這是一種為 CMOS 圖像傳感器技術(shù)開發(fā)的技術(shù)，將 SWIR 圖像傳感器輸出數(shù)字化。這消除了相機制造商為后處理提供 A/D 轉(zhuǎn)換組件的需要。它還有助于解決索尼競爭對手產(chǎn)品必須解決的圖像質(zhì)量問題。因此，索尼相信它有助于顯著減少相機制造商的圖像編輯步驟。

　　索尼繼續(xù)指出，SWIR 圖像傳感器具有由 InGaAs 制成的光電二極管。制造 InGaAs 必不可少的磷化銦 （InP） 形成阻擋可見光的層。然而，索尼考慮采用的 Cu-Cu 連接在結(jié)構(gòu)上允許減少 InP 層的厚度。這促使我們致力于開發(fā)一種獨特的 SWIR 圖像傳感器，該傳感器也能夠在可見光下捕獲圖像。

　　索尼進一步說到，這是集團有史以來第一個使用 InGaAs 開發(fā)的 SWIR 圖像傳感器，因此公司徹底審查了要解決的挑戰(zhàn)，在開發(fā)的早期階段就有 300 多個。隨著進一步深入開發(fā)，索尼發(fā)現(xiàn)了更多需要處理的問題。原來有這么多的挑戰(zhàn)等待著。還有一些 InGaAs 獨有的現(xiàn)象，這是硅所不知道的，我們不得不討論如何在最終產(chǎn)品中處理這些現(xiàn)象。

　　索尼最后說到，通過像素小型化增加的像素數(shù)帶來了巨大的好處。圖像傳感器能夠識別以前無法檢測到的極小損壞，從而提高檢測質(zhì)量。數(shù)字化將使相機設(shè)計更容易，這反過來又有助于節(jié)約成本等，并使圖像傳感器對客戶來說更實惠。由于索尼相信能為世界帶來更好的質(zhì)量檢測，索尼認為這款 SWIR 圖像傳感器將在其中發(fā)揮重要作用。

　　“我們的 SWIR 圖像傳感器具有集團廣受贊譽的特性，例如易用性、高性能等等。相信會在市場上引起轟動。我認為這些特性也將有助于為新應(yīng)用鋪平道路?！彼髂嶙詈笳f。