在过去的十年里，CMOS图像传感器(CIS)技术取得了令人瞩目的进展，图像传感器的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来，CIS技术取得了巨大的商业成功。下面就随传感器小编一起来了解一下相关内容吧。

　　包括科学家和市场营销专家在内的许多人，早在15年前就预言，CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备，就像20世纪80年代中期CCD设备取代了视频采集管一样。尽管CMOS在成像领域占有牢固的地位，但它并没有完全取代CCD设备。

　　另一方面，对CMOS技术的驱动极大地提升了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创建了新的产品应用程序，而且还提高了CCD成像设备的性能。本文介绍了CMOS图像传感器技术中最先进的技术，并对未来的发展前景进行了展望。

　　图像传感器的定义和用途

　　图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异

　　 “模拟”CCD执行光子到电子的转换。

　　 “数字”CMOS图像传感器(CIS)执行光子到电压的转换

　　图像传感器用于数码相机和成像设备，将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。

　　CIS vs. CCD

　　今天，有两种不同的技术用于数字图像采集(图1)：

　　 电荷耦合器件(CCD)是线性传感器，其输出与接收到的光子数量直接相关。

　　 互补金属氧化物半导体(CMOS，或CMOS图像传感器CIS)是一种较新的并行读出技术。

　　这两种类型的成像设备都将光转化为电子(或电荷)，随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动，直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构，其中每个像素都可以单独寻址，或者作为一个组并行地读出(参见图1)。

 CMOS图像传感器的过去，现在和未来

　　CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降，数码相机已经变得非常便宜和普及。

　　在表1中，我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点，在不同的应用中各显其能(用绿色表示)。

表1：CCD与CMOS架构比较(来源：e2V)

　　CIS中的关键组件

　　CMOS图像传感器有四个主要组件(见图2)：

　　1光电二极管(PD)

　　2 像素设计

　　3 彩色滤光片(CF)

　　4 微透镜

　　光电二极管(PD)用于捕捉光，一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”(APS)。通常使用3—6个晶体管，它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝(RGB)成分。最后，微透镜从CIS的非活性部分收集光，并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。

图2：CIS中的关键组件(来源：IBM，FSI)

　　CIS性能参数

　　有许多参数可用于评估图像传感器的性能。我们使用三个主要指标对这些参数进行分类：

　　1像素布局：像素数，像素间距，像素填充因子

　　2像素物理：量子效率，阱容量，动态范围，转换增益，暗电流

　　3像素读数：信噪比，帧速率，线性度，功耗，位深度，调制传递函数，快门效率

　　(4)背面照度(BSI)技术与前面照度(FSI)技术

　　高级CMOS图像传感器制造商正在寻求新的架构，以便在保持或增强电—光性能的同时减小像素尺寸。较小的像素通常会带来更高的分辨率、更小的器件，以及更低的功耗和成本。理想情况下，缩小像素尺寸的任何新CIS架构都不应该降低性能或图像质量。一种较新的CIS架构背面照度(BSI)技术，是常用的前面照度(FSI)技术的有前途的替代方案(见图3)。

图3::：FSI vs. BSI

　　BSI技术涉及到将图像传感器倒置，并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面，以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路，从而具有更高的量子效率(1)(QE)和较低的串扰(2)(见图4)。

图4：串扰

　　(1)QE =转换成为电子的光子的百分比

　　(2)电子串扰=相邻像素之间的电荷(电子或空穴，取决于像素类型)的扩散。它由于底层的电子机制(扩散和漂移)而在硅材料中发生

　　BSI流程

　　使用BSI架构制作CMOS图像传感器需要许多工艺步骤。两种不同的BSI工艺流程Si-Bulk(图5)和SOI(图6)如下所示：

图5：BSI Si-Bulk简化流程

图6：BSI SOI工艺流程(来源：Yole)

　　CIS的全局快门(GS)与滚动快门(RS)

　　“滚动快门”(RS)是一个技术术语，指的是图像传感器扫描图像的方式。如果传感器采用RS，则表示从传感器的一侧(通常是顶部)到另一侧依次逐行扫描图像。通常，CMOS图像传感器在RS模式下工作，其中曝光和快门操作逐行(或逐列)执行。

　　“全局快门”(GS)也是一个技术术语，指的是可以同时扫描图像的整个区域的传感器。在GS传感器中，使用所有像素同时捕获图像。GS架构包括一个存储器结构和附加的MOS晶体管，以提供额外的功能。今天，大多数CIS成像器采用GS模式来避免失真和伪像，如寄生光敏感度(见图7)。使用GS功能的CMOS图像传感器用于各种领域，包括广播、汽车、无人机和监控应用。

图7：滚动(左)与全局(右)快门模式

　　3D堆叠CIS

　　手机的增长是过去5年来CIS单位出货量增长的主要动力。随着CIS市场收入的增长，研发支出和专利申请也在增加。这一努力带来了先进的移动摄像系统，其中包含了一些新技术，例如：

　　1用于快速自动对焦(AF)的相位检测像素阵列(PDPA)

　　2 1μm生成像素，具有优越的低光灵敏度

　　3先进的芯片堆叠，具有与图像信号处理器(ISP)晶圆连接的BSI CIS晶圆

　　4 视频录制高达4K

　　3D堆叠图像传感器由在逻辑裸片上面对面堆叠的BSI图像传感器裸片组成。投资堆叠式芯片CIS开发的动机各异，具体取决于制造商，但可概括为：

　　1添加功能

　　2减少形式

　　3 支持灵活的生产选择

　　4有助于3D堆叠中每个裸片的优化

　　索尼在2012年推出了全球首款用于消费电子产品的堆叠芯片CIS相机系统，2013年初，平板电脑中使用了8 MP ISX014堆叠芯片。第一代芯片采用了上一代TSV，将索尼制造的90nm CIS裸片的pad与65nm ISP的pad连接起来(来源：Chipworks)。

　　索尼的13 MP IMX214第二代堆叠CIS芯片的制造类似于其90/65 nm(CIS / ISP)技术，并于2014年用于iPhone6 / 6s中。

　　最近(2017年2月)，索尼公布了3层CIS器件，包括顶层BSI传感器或CIS光电二极管，中层DRAM单元阵列和底层逻辑作为ISP(图8)。它是具有1um x 1um像素尺寸的23MP图像传感器，使用新的混合键合结构(常规结构类似于TSV)。

　　索尼还在2017年5月发布了其首款三层960 fps相机，并配备了三明治式堆叠的DRAM。

图8：索尼3层堆叠CIS器件(来源：ISSCC 2017&TechInsights)

　　3D堆叠CIS的历史

　　在表2中，我们总结并展示了3D堆叠CIS的历史(来源：www.3DIC.org)。我们可以清楚地看到，技术从氧化物粘合+通过最后的TSV堆叠技术转移到混合键合技术，再到最近的顺序3D集成技术。

　　***立纳米器件实验室和清华大学的研究人员最近展示了一个单片3D图像传感器。他们按顺序制造了单层(小于1nm)的TMD(过渡金属二硫属性元素)光晶体管阵列，使用CVD生长的MoS2，通过高强度的内部连接转移到3D逻辑/存储器混合IC中。

表2：堆叠CIS的历史

　　现在和未来的CIS技术/市场/玩家

　　未来CIS技术采用的路线图受到三个限制或驱动因素的推动：

　　1尺寸(3维，相机模组的X，Y和Z)

　　2图像质量(分辨率，低光性能，对焦(AF)和稳定性(OIS))

　　3功能(慢动作影像，图像分析，运动控制)

　　BSI，3D堆叠BSI，3D混合以及3D顺序集成都是影响未来CIS技术应用的关键技术。

　　多年来，CIS市场的竞争格局已经发生了很大的变化。索尼是市场、生产、技术的领导者。Omnivision和三星一直保持强劲，Galaxycore和Pixelplus这样的新玩家也在崛起。同时，集成器件制造(IDM)模型一直是佳能和尼康的强大动力来源，它们都经受住了数码相机的缓慢发展。至于松下，它已经与Tower Jazz成立了一家合资公司，以协助其在高端成像应用领域的探索。

　　今天，CIS行业是由手机和汽车应用推动的。智能手机摄像头的创新将会继续，尽管这个大批量应用的竞争非常激烈。为了保持竞争力，CIS制造商正被迫将越来越多的功能整合到移动摄像机中(见图9)。

图9：移动摄像机功能的转型(来源：Yole)

　　智能手机的应用正处于CIS市场份额的领先地位，但许多其他应用将成为CIS未来增长的一部分。许多IDM和无晶圆厂公司正在为新兴的更高利润率的成像应用开发芯片，如汽车、安全、医疗和其他领域。这些应用中出现了巨大的机会，推动了新兴供应商和现有供应商的市场和技术工作。这些新兴的机遇正在将移动成像技术推向其他增长领域，我们可能会看到从视觉成像到视觉感知以及其他交互式应用的转变。