Image Sensors 5 of 6 - Frontside and Backside Illumination

Summary

El guion del video explica el concepto de la tercera dimensión en sensores de imagen, utilizando un dibujo para ilustrar cómo los fotones penetran en el silicio y crean pares electrón-agujero. Se discute la iluminación frontal, donde la luz choca con el metal y se bloquea, y cómo las lentes micro mejoran la eficiencia de captura de luz. Además, se presenta la iluminación trasera, donde la luz entra desde el lado opuesto al metal, siempre y cuando el silicio esté completamente despojado, evitando regiones libres de campo y aumentando la eficiencia cuántica. El video también define 'drenaje' y 'difusión' en el contexto de la conducción de carga en el silicio.

Takeaways

• 📏 La dimensión tercera no se muestra en la representación 2D, pero es crucial para entender cómo la señal sale por encima de los píxeles en la dimensión Z.
• 🎨 El dibujante intenta ilustrar la dimensión Z al voltear un array de píxeles y representar los píxeles en esa nueva dimensión.
• 🔍 Se menciona que los fotodiodos, compuestos por tipos N y P, están en la base de la estructura y están conectados a tierra.
• 💡 La llegada de un fotón puede crear un par electrón-agujero, donde el agujero se mueve hacia afuera del imagenador y el electrón se dirige a su píxel más cercano.
• 🤔 No hay una separación física entre los píxeles en el silicio; son diferentes perfiles de dopado en una masa de silicio.
• 🚀 Un electrón creado puede, aunque esté más cerca de un píxel, potencialmente moverse a otro píxel vecino en la matriz.
• 🌌 Se describe cómo los fotones entrantes pueden ser bloqueados por el metal o penetrar en el silicio, dependiendo de su dirección de llegada.
• 🔄 Se introduce el concepto de iluminación frontal, donde la luz llega al mismo lado que el metal, lo que puede ser ineficiente.
• 🔬 Se sugiere la posibilidad de recolectar más luz utilizando lentes micro (lentes de poliamida) para dirigir la luz hacia el silicio.
• 🔦 La iluminación trasera (BI) se presenta como una técnica para mejorar la eficiencia al enviar los fotones desde el lado opuesto al metal.
• 🛠 La eficacia de la iluminación trasera depende de la capacidad de despistar completamente el silicio de tipo P, evitando regiones libres de campo que provocan difusión de los portadores de carga.

Q & A

¿Qué es la tercera dimensión en el contexto de la imagen digital?

La tercera dimensión se refiere a la profundidad o el 'Z Dimension', que es la altura de los píxeles en un sensor de imagen, y es crucial para entender cómo se captura la luz y se convierte en una imagen.

¿Cómo se representa la tercera dimensión en el guion?

El guion intenta representar la tercera dimensión al mostrar cómo los fotones llegan a los píxeles a través de la profundidad, más allá de la superficie de los píxeles en las dimensiones X e Y.

¿Qué es un fotodiodo y cómo funciona en relación con la tercera dimensión?

Un fotodiodo es un dispositivo que convierte luz en electricidad. En la tercera dimensión, los fotodiodos están en la base del sensor y crean pares electron-hueco cuando absorben fotones, lo que es fundamental para la captura de la imagen.

¿Por qué la iluminación frontal no es ideal para la captura de luz en los sensores de imagen?

La iluminación frontal, o 'front side illumination', no es ideal porque parte de la luz incidente puede ser bloqueada por el metal en la parte superior del sensor, reduciendo la cantidad de luz que llega a los fotodiodos.

¿Qué son los microlentes y cómo ayudan a mejorar la eficiencia de captura de luz?

Los microlentes son pequeñas estructuras que se colocan sobre el sensor de imagen para dirigir la luz hacia los fotodiodos. Ayudan a que más luz alcance el sensor, mejorando la eficiencia de captura y la calidad de la imagen.

¿Qué es la iluminación trasera o 'backside illumination' y cómo mejora la captura de luz?

La iluminación trasera, o 'backside illumination', implica enviar los fotones a través de la parte trasera del sensor, evitando que el metal bloquee la luz y permitiendo que una mayor cantidad de fotones alcance los fotodiodos.

¿Qué es la depuración y por qué es importante en la iluminación trasera?

La depuración es el proceso de vaciar completamente el semiconductor de su carga móvil. Es importante en la iluminación trasera para asegurar que todos los portadores de carga alcancen el área correcta del sensor y se capturen correctamente.

¿Qué son los campos libres y cómo afectan la captura de luz en la iluminación trasera?

Los campos libres son regiones donde no hay fuerza eléctrica para guiar a los portadores de carga. En la iluminación trasera, pueden causar que los electrones se difundan en lugar de moverse directamente hacia los fotodiodos, lo que reduce la calidad de la imagen.

¿Qué es la difusión y cómo se relaciona con la captura de luz en sensores de imagen?

La difusión es el movimiento de los portadores de carga debido a la energía térmica en ausencia de un campo eléctrico. Puede causar que los electrones se muevan aleatoriamente y no lleguen a la ubicación correcta en el sensor, reduciendo la resolución de la imagen.

¿Qué es el flujo de carga y cómo afecta la calidad de la imagen en un sensor de imagen?

El flujo de carga es el movimiento de los portadores de carga impulsado por un campo eléctrico. Es importante para que los electrones alcancen los fotodiodos correctos y contribuyan a la captura de la imagen. Un mal flujo de carga puede resultar en una imagen borrosa o de baja calidad.

¿Cómo se puede mejorar la eficiencia cuántica en los sensores de imagen?

La eficiencia cuántica se puede mejorar mediante técnicas como la iluminación trasera y el uso de microlentes. Estas técnicas aumentan la cantidad de fotones que llegan a los fotodiodos y se convierten en señales eléctricas, mejorando la calidad de la imagen.

Outlines

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📐 Tercera dimensión en sensores de imagen

El primer párrafo se centra en explicar la tercera dimensión en los sensores de imagen, que no se muestra en un diagrama bidimensional. Se describe cómo la señal sale por encima de los píxeles en la dimensión Z. El narrador intenta ilustrar esta dimensión con un dibujo, representando un array de píxeles y cómo los fotones pueden interactuar con el diodo fotoeléctrico, creando pares electron-hueco que podrían migrar a los píxeles cercanos. Se menciona que no hay una división clara entre los píxeles en el silicio, lo que puede causar que los electrones terminen en el pixel equivocado. Además, se discuten las implicaciones de la disposición de los componentes en la eficiencia de la captura de luz.

05:01

🔍 Iluminación frontal y trasera en sensores de imagen

El segundo párrafo explora cómo la luz llega a los sensores de imagen y cómo afecta la eficiencia de la captura de luz. Se introduce el concepto de iluminación frontal, donde la luz llega de la misma dirección que los metales, lo que puede bloquear parte de la luz. Para mejorar esto, se sugiere el uso de lentes micro en el sensor para redirigir la luz y aumentar la cantidad de fotones que llegan al silicio. También se discute la iluminación trasera, donde la luz llega desde la parte opuesta a la del metal, lo que podría aumentar la eficiencia si se logra una depuración completa del silicio tipo P. Se menciona la importancia de evitar regiones libres de campo para asegurar que los electrones terminen en el pixel correcto, y se describe cómo la difusión y el flujo de electrones pueden verse afectados por la presencia o ausencia de un campo eléctrico.

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👀 Definición de difusión y flujo en sensores de imagen

El tercer párrafo se enfoca en aclarar los términos 'difusión' y 'flujo' en el contexto de los sensores de imagen. Se explica que el flujo se produce cuando el campo eléctrico domina y los electrones se mueven en la dirección del campo, mientras que la difusión ocurre en ausencia de un campo eléctrico, siendo un proceso dominado por el calor. El narrador menciona que puede necesitar aclarar estos conceptos en futuras videos para brindar una comprensión más profunda.

Keywords

💡Dimensión

La dimensión se refiere a las diferentes direcciones o ejes en los que se extiende un objeto o espacio. En el video, se discute la importancia de las tres dimensiones (X, Y y Z) en el contexto de la imagen digital. La dimensión Z es crucial para entender cómo la luz interactúa con los píxeles de una cámara y cómo se captura la imagen en profundidad.

💡Píxeles

Los píxeles son los puntos individuales de luz en una pantalla o imagen digital. El script menciona los píxeles como componentes fundamentales de la imagen en una cámara, donde cada píxel captura una parte de la luz incidente para formar la imagen completa.

💡Fotodiodo

Un fotodiodo es un dispositivo semiconductor que convierte la luz en electricidad. En el video, el fotodiodo es el elemento que detecta la luz y crea un par electrón-agujero cuando absorbe un fotón, lo cual es esencial para la generación de la señal de imagen.

💡Tipo N y Tipo P

Los tipos N y P se refieren a las configuraciones de dopaje en semiconductores, específicamente en la creación de una dioda. En el script, el tipo N y el tipo P se mencionan para describir la estructura del fotodiodo, donde el tipo N es un semiconductor dopado con elementos de núcleo lleno y el tipo P con elementos de núcleo parcialmente lleno.

💡Electrones y Agujeros

Los electrones y agujeros son conceptos fundamentales en la física de semiconductores. El script describe cómo, al absorber un fotón, un fotodiodo crea un par de electrón y agujero, siendo el electrón una partícula con carga negativa y el agujero una partícula equivalente a una partícula con carga positiva.

💡Illuminación Frontal

La iluminación frontal se refiere a la técnica en la que la luz llega a la cámara desde el mismo lado que el metal de la dioda. El video menciona que esta técnica puede resultar en una menor eficiencia al bloquear parte de la luz con el metal, lo que reduce la cantidad de luz que llega al semiconductor.

💡Microlentes

Los microlentes son pequeñas piezas de material, como poliamida, que se colocan sobre los píxeles de una cámara para mejorar la dirección y la cantidad de luz que llega a los píxeles. En el script, se sugiere que los microlentes pueden redirigir la luz que incide de manera indirecta, aumentando la eficiencia de captura de luz.

💡Illuminación Trasera

La iluminación trasera, o BI (Backside Illumination), es un método en el que la luz llega a la cámara por el lado opuesto al metal de la dioda. El video destaca que esta técnica puede aumentar la eficiencia de captura de luz al evitar que el metal bloquee la luz, siempre y cuando se haya logrado una depleción completa del silicio del tipo P.

💡Depleción

La depleción es el proceso mediante el cual se crea una región libre de portadores de carga en un semiconductor. En el script, se resalta la importancia de la depleción completa del silicio del tipo P para que la iluminación trasera funcione correctamente, evitando regiones libres de campo que podrían causar que los portadores de carga se difundan incorrectamente.

💡Drift y Difusión

El drift y la difusión son mecanismos por los cuales los portadores de carga se mueven en un semiconductor. El video explica que el drift es dominado por campos eléctricos y la difusión por la influencia térmica, y cómo estos mecanismos pueden afectar la precisión en la localización de los electrones creados por la luz incidente.

Highlights

Introduction to the concept of the third dimension in image sensors beyond the standard x and y dimensions.

Explanation of how a signal in image sensors emerges in the z-dimension, affecting pixel interaction.

Illustration of pixel array and the flipping of the array to represent the third dimension.

Demonstration of how electrons and holes are created and their movement within the silicon substrate.

Discussion on the lack of physical barriers between pixels and the potential for electron diffusion.

Introduction of the photodiode and its role in the generation of electron-hole pairs.

Description of the silicon substrate's structure, including n-type and p-type materials.

Explanation of the oxide layer and its function as an insulator in image sensors.

Introduction of metal layers and their placement over the oxide in image sensors.

Illustration of the impact of metal layers on light absorption and the concept of front side illumination.

Introduction to micro lenses and their role in redirecting light to improve quantum efficiency.

Explanation of how micro lenses help in collecting more light and avoiding metal obstruction.

Introduction to the concept of backside illumination (BI) and its advantages.

Discussion on the necessity of depleting the p-type silicon for effective backside illumination.

Illustration of the potential issues with incomplete depletion and field-free regions.

Explanation of the concepts of drift and diffusion in the context of electron movement.

Conclusion summarizing the importance of proper depletion and the impact on image sensor performance.

Transcripts

okay I want to talk a bit about the

third dimension what I'm not showing

here this is two Dimensions so we have X

Dimension and we have y Dimension okay

but when I when I'm showing that this

signal was coming out uh it's actually

coming out over the top of all those

pixels in the third dimension in the Z

Dimension so let me try to draw out that

third dimension to give you a sense of

what it looks like well actually let me

start with a new

canvas we got the canvas here let me

draw and I'm going to try my best to

make sure this comes

out let's say this was that array that I

drew

earlier and it's supposed to it's soft

scale bit so that's what I was drawing

earlier now let's say we're flipping it

on its end so we're going to flip it

like that okay and what we're going to

see if we flip it like that let me draw

out the pixels

first

it's off the screen but you can see the

pixels

are

[Music]

here trying to get this into Dimension

but I don't think it's working very well

anyway those are the pixels so this uh

let's say rather this pixel here is that

pixel there let me get a different color

this pixel here is this pixel here and

uh this pixel pixel here is this pixel

there

okay

now I'm going to look at the end of this

thing so there's actually a volume here

right some kind of

volume there we go here's our photo

diode where here was the N type and here

was the P type so if uh and this is

grounded down here if the photon comes

in from the side actually it doesn't

come in from the side it comes in either

from this way or this way but let's say

it let's say for the sake of argument it

came in from the side and we create an

electron hole pair electron hole pair

the hole would go this way and out of

the imager and the electron would most

likely go to its nearest pixel now in

the Silicon there's nothing separating

one pixel from another there's there's

no hardcore division down down the

Silicon here it's all just one mass of

silicon different doping profiles with

one mass of silicon so an electron

Creator here could even though it's

closest to this pixel it could maybe

find its way over to this pixel or one

further in the array statistically those

things could happen Okay I'm going to

look at this front edge and I'm going to

redraw it I'm going to draw this front

edge down below down below

okay let me get white again okay let me

draw kind of a squiggle off on this side

and a squiggle off on this side to

represent that it's going mostly to

Infinity okay we got this here we got

the oh let me back up a second I think I

drew that too large for what I want to

demonstrate

okay squiggle here squiggle

here this side put that up a little

more like that okay I want to draw this

a little more to scale so there's n type

and there's ptype usually the the the P

substrate is much much much thicker than

the N type substrate so that's what I

tried to capture

there now uh let's say that there's an

oxide sitting on top so this is grounded

let's say there's an oxide sitting on

top of the end type and I'm going to

draw that try to draw that in a

different color does gray work yeah well

not not too well uh let's draw

Green okay there's an oxide sitting

there the oxide that's an insulating

material oxide I'll just write out

insulator oxide insulator sitting there

where this is

silicon and this is also

silicon okay on top of that oxide

there's metal and let's let's draw an

imaginary division of these pixel I I

said that there's no structure that

makes it all the way through the Silicon

but let's imagine that we just kind of

want want to divide it up into a pixel

there's

one and there's another

okay uh let's draw the metal so let's

say we have metal

here that's covering part of the pixel

and we got it here covering that part of

that pixel and we got it here covering

that part of that pixel okay now you can

see that there is that third dimension

coming in and out of the page and we can

do a couple things with the way light

comes in light oh this is let me pause

for a second okay I paused to erase uh

light for most image sensors is going to

come in from the top so let's say we had

red light red

light I'll draw it actually in its true

color let's say red light is coming in

and let's say each

pixel gets one

it gets two photons so there's six

photons it doesn't work out like that

but let's say there's six photons so

those photons come in and they penetrate

into the Silicon so this Photon actually

is blocked by the metal but this guy

makes it all the way in and this guy

makes it all the way in uh this guy's

blocked by the metal this guy makes it

all the way in and this guy is blocked

by the metal of the six photons that

were incident upon the Silicon we have

three that made it into the Silicon and

each one of those photons is going to

create an electron whole pair and we'll

read out the electron now this is not

ideal this is called front side

illumination we're Illuminating from the

same side as the metal that's called

front side illumination is there a way

we can collect more of that light rather

than having hit the metal and just be

blocked well let me backtrack a little

bit and show you that indeed yes there

is a

way let's say we filled in the rest

filled in around the metal with more

oxide

okay fill in with more oxide and then on

top of that oxide we draw lenses we have

lenses and these will be with some sort

of polymer material like polyamid and

let's say they're space like

this there's one there's one per pixel

but they're slightly offset okay you'll

see

why I'm really not drawing this to scale

but they're Mounds so those

are micro

lenses micro

lenses okay what's going to happen to

that red light now so let's say that the

light

hit well let's say this one hit was

going to go there this one was going to

go there this one is going to go there

one goes I'm not drawn this exactly

right but one

there one there and one was going to hit

there this is really awfully drawn not

drawn to scale but what's going to

happen well this this guy is now going

to hit that lens and it's going to be

directed off to the side a little bit a

little bit off this way this one is

going to hit that lens and be directed

instead of coming straight down and

hitting the metal it's going to be

redirected through that opening and down

into the Silicon this guy is pretty much

still going to come straight on this guy

is going to hit that piece there and

it's going to be redirected slightly

this way maybe it misses the metal and

makes it into silicon this guy comes

straight on and this guy comes this way

a little bit so now of the six photons

we've collected pretty much six of them

they aren't going to show up exactly in

the Silicon where they got where they

would be directly imaged but they're all

making it in and so our Quantum

efficiency is higher for the the the the

percentage of the incident photons

making it into silicon is higher that's

external Quantum

efficiency now let's look at it a

different way wouldn't it be nice if we

did to worry about that metal at all

what if we could send the photons in

from this way instead there's no metal

there well that's great that's called

backside illumination backside

illumination backside

illumination or

bi and that works well if and only if

you can deplete this entire ptype

silicon so that means that the thickness

of this layer has to either be thin

enough enough or the doping has to be

low enough that for a given voltage you

can deplete the whole thing otherwise

you'll have a lot of field-free regions

and the field free region and the the

carriers will run around and not end up

where you want them to let me draw an

example try to draw what I

mean and I'll go to White so I don't

have too many colors floating around

let's say you created a charge Cloud

here let's say there are three electrons

what you would like is for those three

electrons to end up in this pixel

because that's the one uh directly in

line with it but that may not happen

because even though it it may see an

electric field pushing it or pulling it

towards the front side uh let's say at

the back surface we're not fully

depleted so there's a field free region

and they start to diffuse laterally

before they find their way

into the electric field the depletion

region and now instead of all three

electrons ending up here we get one here

one here and one there there was

diffusion in this direction and drift in

this direction so they don't end up all

where you want them to be and let me

Define that so

drift is where you're dominated by

electric

field electric

field

dominates and diffusion is where there's

no electric field and so you're

thermally thermally dominated

that's probably not entirely clear um

try I'll try to clarify it in some

future

videos