ST 在 IEEE 國際電子器件會議（IEDM 2021）上提交了四篇論文。其中一個是主辦方的邀請，另一個是與三星合作的成果。所有這些都旨在使改變行業(yè)的創(chuàng)新更容易獲得。事實上，三星和 ST 展示了第一款采用新工藝的 18 nm FDSOI 微控制器。同樣，其他論文希望在未來幾年內(nèi)使傳感器或存儲器更具成本效益。因此，讓我們深入了解 ST 在此次活動中展示的一些論文。

“針對近波和短波紅外優(yōu)化的 1.62μm 全局快門量子點圖像傳感器”

IEDM 2021 有什么新功能？

其中一個引人注目的是 Johnathan Steckel 領導的一篇論文，該論文介紹了在 300 mm 硅晶片上生產(chǎn)的用于近紅外 （NIR） 和短波紅外 （SWIR） 的第一個 1.62 μm 像素間距全局快門圖像傳感器。使用硫化鉛量子點，圖像傳感器比砷化銦鎵 （InGaAs） 替代品更具成本效益。此外，它是一種全局快門技術，具有創(chuàng)紀錄的小像素間距和出色的效率。因此，可以在光譜的紅外部分捕獲更多細節(jié)。因此，該論文為移動設備、機器視覺、高光譜成像和光譜學、安全和監(jiān)控創(chuàng)造了新的機會。

為什么是量子點？

量子點是微小的（通常在 2 nm 到 20 nm 之間）半導體晶體。它們的獨特特性之一是它們的光學和電學特性隨其尺寸而變化。在圖像傳感器中，使用各種尺寸的量子點可以捕獲超出硅吸收限制的不同波長的光。在 ST 的 IEDM 2021 論文中，研究人員調(diào)整量子點以捕獲 940 nm 和 1400 nm 光，后者可與 InGaAs 傳感器相媲美。然而，InGaAs 成像設備具有挑戰(zhàn)性且制造成本高。在現(xiàn)有晶圓廠中使用傳統(tǒng)的 300 毫米硅晶圓工藝，ST 可以以極低的成本生產(chǎn)用于短波紅外的量子點傳感器。

為什么是 IEDM 2021 而不是幾年前？

量子點并不新鮮，早在 1980 年代早期，科學家們就已經(jīng)在研究它們的特性1。然而，膠體合成可以吸收紅外光的晶體并創(chuàng)造出能夠產(chǎn)生實際應用所需的性能和穩(wěn)定性的薄膜器件和制造工藝需要數(shù)年時間。更具體地說，ST 開發(fā)了一種不會超過 150oC 的制造工藝，同時還創(chuàng)造了可以保持量子點完整性的光刻方法。

IEDM 2021 論文詳細解釋了 ST 如何在 300 毫米晶圓上創(chuàng)建這種圖像傳感器技術，并描述了迄今為止所達到的性能和可靠性。我們計劃在 2022 年向潛在客戶提供樣品和評估套件，并在未來幾年轉(zhuǎn)向量產(chǎn)。在潛在的應用中，移動設備可以使用新傳感器來改進面部或物體檢測。最終，所有消費者都可以使用的低成本大容量 SWIR 圖像傳感器將為新的用例和應用打開大門。

未來汽車的創(chuàng)新

“加熱器系統(tǒng)優(yōu)化，可在 28nm FDSOI 技術中實現(xiàn)強大的 ePCM 可靠性和可擴展性”

PCM 壁結(jié)構的 0.019μm2 單元布局和沿 （b） 的 TEM 橫截面 圖 2：針對加熱器壁 WL 和沿 （c） BL 的 PCM 流動序列描述

由 Rossella Ranica 領導的另一篇論文著眼于嵌入式相變存儲器 （ePCM） 中的加熱器系統(tǒng)對耐用性和保持力的影響。正如我們已經(jīng)解釋過的，PCM 使用硫族化合物，該化合物通過加熱元件改變狀態(tài)。然而，關于各種加熱器值對電池耐久性和可靠性的影響，還有很多需要了解。因此，該論文至關重要，因為它顯示了加熱器電阻如何影響兩者。較高的加熱器電阻會導致較低的電流和更大的耐用性，但會減少再結(jié)晶單元的數(shù)量。由于這些發(fā)現(xiàn)，具有 ePCM 的汽車微控制器可以更好地管理這種權衡并微調(diào)加熱器系統(tǒng)。

“超越光互連的硅光子學”

天線陣列通過相長干涉產(chǎn)生波束。方位角由每個天線相位確定。視場由 +/- 1 級干涉決定，右圖：混合 InP/Si 波導的 TEM 橫截面

IEDM 2021 還邀請了由 Frederic Boeuf 領導的 ST 論文，探討硅光子在通信以外的其他應用中的應用，例如光學相控陣 （OPA） 和神經(jīng)形態(tài)加速器。與使用機械傳感器的傳統(tǒng) LiDAR 設備不同，ST 可以設想創(chuàng)建一個沒有移動部件的組件。傳統(tǒng)的硅光子設備已經(jīng)可以執(zhí)行激光束掃描和整形以檢測對象的存在和范圍。然而，在消費電子產(chǎn)品中實施該技術時，高功耗是一個重大問題。

本文討論了電光調(diào)制器的使用，而不是經(jīng)典的熱光器件，包括 Si-PiN 二極管和混合 III-V/Si 器件。因此，本文提出了一種更強大、更高效、更具成本效益的 LiDAR 解決方案。目前的行業(yè)路線圖將此類設備的發(fā)布時間定在 2025 年左右。此外，本文與東京大學合作，討論了混合 III-V/Si 設備如何使基于硅光子學的神經(jīng)網(wǎng)絡受益。事實上，通過以光速實現(xiàn)低功耗乘法和加法運算，硅光子學可以改變神經(jīng)形態(tài)計算。

審核編輯：郭婷