洞见

CMOS图像传感器中像素技术的进化史

By 2020年02月13日 二月 26th, 2020 No Comments

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想象一下

移动设备及其日新月异的拍照功能已经成为我们日常生活的一个重要组成部分。得益于越来越先进的手持设备,人们能够更加轻松地拍摄、记录、存储自己和周边世界的图像。尽管今天看来,这种功能已经再普遍不过了,但这一切并非凭空造就,而是人们历经若干年甚至长达数十年的辛勤研发的成果。
随着人们对更高质量图像和更小尺寸设备的需求的不断增加,创新、突破和进步也在不断涌现。下面,我们将通过SK海力士CIS业务高级研究员吴薰翔 撰写的一篇文章,详细了解更多关于CMOS图像传感器(CMOS image sensor,简称 CIS)技术开发以及SK海力士对CIS技术做出的贡献。

CIS图像质量与像素(Pixel)

我们今天使用的大多数移动设备,如手机、平板电脑和笔记本电脑等,都至少装有一个或多个摄像头传感器。我们在这些设备上拍摄的图像的质量好坏是由传感器中一种名为“像素”的电子机制决定的,而传感器是将光信号转换成电信号的关键部件。

在众多的图像质量指标中,最具代表性的是被称为“图像信噪比(Signal-to-Noise Ratio,简称 SNR)”的定义和测量过程(图1)。为了获得较高的图像信噪比,我们需要增加信号项和降低噪声项,而这些项主要取决于满阱容量、灵敏度、像素暗噪声、读出电路噪声和像素串扰等像素性能指标。

在明亮条件下,满阱容量和像素串扰是影响图像信噪比的主要因素;而在黑暗条件下,灵敏度、像素暗噪声、读出电路噪声和像素串扰则是影响图像信噪比的主要因素。因此,从技术角度来看,在黑暗条件下获得较为理想的图像信噪比,即更佳的图像质量,就更为困难,这是因为我们需要控制并改进许多像素的性能指标。

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CIS像素发展历程

在过去的十年里,人们对更高分辨率传感器的需求不断提高,同时也不断致力于开发出更小的像素。图2展示了CIS像素技术的发展历程,从中我们可以看到像素大小缩放的技术壁垒是如何被攻克的。像素缩小技术的创新分为三个阶段: (1)灵敏度(Sensitivity);(2)串扰(Crosstalk);和(3)QUAD(或 TETRA)像素技术。

在第一阶段,像素工程师们致力于弥补因像素尺寸减小而导致的灵敏度受损,由此研发出包括片上透镜(或微透镜)、更厚的硅光电二级管和背照式等在内的许多创新技术。 。在第二阶段,即像素尺寸达到1微米左右时,像素工程师们更多地将注意力放在减少串扰上。在此期间,为了抑制光电串扰,研究人员研发出了彩色滤光片层金属栅极结构和硅光电二极管深槽隔离工艺等新技术。

随着像素尺寸不断缩小到亚微米范围,研究人员针对小像素在弱光照环境下的敏感度问题,提出了一种全新的、基于QUAD或TETRA像素结构的像素工作模式概念。QUAD像素的基本工作原理如图3所示。预计在未来,所有亚微米尺寸像素也将采用这种QUAD像素方案。

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图像传感器与SK海力士

SK海力士从2007年开始投身CIS业务,十多年来一直致力于生产基于8英寸晶圆的图像传感器产品。随着基于物联网(IoT)和5G技术的ICT时代的到来,图像传感器市场正在迅速发展,SK海力士也在大力发展CIS业务,并将其作为存储器业务以外的又一业务增长引擎,从而满足市场不断增长的需求。经过数年来针对12英寸晶圆CIS的工艺准备,SK海力士于2019年推出了一款基于12英寸晶圆的1.0微米产品,该产品采用了公司专有的Black Pearl像素技术,凭借极具竞争力的像素性能,获得了客户的一致好评。Black Pearl具有改进后的噪声特性,能够在低照度条件下实现低噪声的清晰图像。

展望未来

SK海力士始终致力于提供一流的传感器性能和生产能力,并将在未来十年内将其技术提升到更高水平。目前,SK海力士正在根据产品性能和价格竞争力,将CIS产品组合范围从中端扩展到高端。公司将在2020年及以后加大对CIS业务领域的投入,并跻身CIS业务世界领先行列。

 

吴薰翔撰写

SK海力士CIS业务高级研究员

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