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       頂點(diǎn)光電子商城2022年8月29消息：作為電子設(shè)備的“眼睛”，圖像傳感器近年來(lái)成為市場(chǎng)矚目的焦點(diǎn)，成為半導(dǎo)體行業(yè)炙手可熱的一大領(lǐng)域。目前，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器(CIS)是被普遍采用的兩種圖像傳感器。

       固態(tài)高靈敏圖像傳感器，尤其是科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器，憑借其體積小、集成度高及功耗低等優(yōu)勢(shì)，在空間高靈敏成像領(lǐng)域的應(yīng)用中異軍突起。盡管科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)低照度高靈敏成像，但還遠(yuǎn)未達(dá)到單光子探測(cè)的輻射分辨能力。由于像素尺寸小，標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器在低光和高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）情況下往往面臨性能限制。每個(gè)像素光子通量的減少和較小的像素光電子存儲(chǔ)容量（通常稱為全阱容量（FWC）），意味著這些圖像傳感器的低光信噪比（SNR）較差，而在明亮的光照條件下飽和過(guò)快。

       量子CMOS圖像傳感器的出現(xiàn)，能夠進(jìn)行光子數(shù)分辨、高速讀出和HDR。憑借QIS器件的光子數(shù)分辨能力，盡管像素尺寸較小，但是低光成像性能大大增強(qiáng)，并且得益于低光照下的擴(kuò)展靈敏度，其動(dòng)態(tài)范圍得到了改善，對(duì)于拓寬空間遙感高靈敏成像應(yīng)用領(lǐng)域、提升相應(yīng)的應(yīng)用水平具有十分重要的意義。

       QIS之所以稱為量子圖像傳感器，是因?yàn)槠湎袼仃嚵锌梢栽跇O短的時(shí)間里生成Bit圖像。量子圖像傳感利用創(chuàng)新的半導(dǎo)體儀器設(shè)計(jì)在每個(gè)像素元件中實(shí)現(xiàn)了極小的輸出電容，從而極大地放大了每個(gè)光子產(chǎn)生的電信號(hào)。由于這種極高的信號(hào)放大率，與CMOS傳感器相比，量子圖像傳感器的相對(duì)噪聲降低了5到10倍，從而在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的單光子探測(cè)和光子數(shù)分辨。

       近期，美國(guó)Gigajot Technology公司的研究人員在Scientific Reports上發(fā)表了一篇論文，該論文報(bào)道了一款基于CMOS有源像素的QIS，分辨率為1.63億像素，像素間距為1.1 μm，光學(xué)格式為1.26英寸。這是具有光子數(shù)分辨能力的低噪聲圖像傳感器中有史以來(lái)最高的像素分辨率。

       該傳感器在臺(tái)積電完成設(shè)計(jì)和制造，采用45 nm/65 nm堆疊背照式（stacked BSI）CMOS圖像傳感器工藝。可以在單個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)可靠的光子數(shù)分辨和高動(dòng)態(tài)范圍成像。該QIS采用最先進(jìn)的CMOS工藝制造，具有2層晶圓堆疊和背面照明。在室溫操作下，平均讀取噪聲為0.35 e-rms，證明了可靠的光子數(shù)分辨，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的低光成像性能。此外，由于極低的本底噪聲和20k e-的擴(kuò)展?jié)M井容量，可實(shí)現(xiàn)95 dB的動(dòng)態(tài)范圍。設(shè)計(jì)采用兩層堆疊結(jié)構(gòu)，其中像素位于頂部像素襯底上，讀出電路位于底部ASIC襯底上。該傳感器的光學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)建于像素襯底的背面，包括微透鏡（ML）、濾色器陣列（CFA）和金屬網(wǎng)格。為了實(shí)現(xiàn)2?×?2像素合并（Binning），采用了Quad Bayer CFA結(jié)構(gòu)，其中的2?×?2像素單元共用相同的濾色器。為每個(gè)2?×?2像素單元構(gòu)建了背面深溝槽隔離（B-DTI），以減少不同顏色之間的光電串?dāng)_。2?×?2像素單元中的每個(gè)1.1 μm間距像素都有一個(gè)獨(dú)立的光電二極管存儲(chǔ)阱（SW）。

QIS傳感器架構(gòu)示意圖

       這款傳感器的成功是開(kāi)發(fā)Gigapixel QIS概念的另一個(gè)關(guān)鍵里程碑，它是一種理想的成像解決方案，可為智能手機(jī)、工業(yè)成像、醫(yī)療診斷、科學(xué)和生命科學(xué)成像等眾多應(yīng)用提供超高分辨率、大光學(xué)格式、光子數(shù)分辨和HDR成像性能。

        量子CMOS圖像傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將向更高分辨率推進(jìn)，更靈活的智能化成像模式。隨著航天遙感等應(yīng)用層次的不斷深入以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，甚高靈敏圖像傳感器的應(yīng)用需求也將越來(lái)越廣泛。量子CMOS圖像傳感器因其優(yōu)異的超低噪聲性能，還可以應(yīng)用到星敏傳感器設(shè)計(jì)、系外行星探測(cè)等領(lǐng)域。可以預(yù)見(jiàn)，隨著量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，勢(shì)必在更多領(lǐng)域得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。