頂點光電子商城2022年8月29消息：作為電子設備的“眼睛”，圖像傳感器近年來成為市場矚目的焦點，成為半導體行業炙手可熱的一大領域。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。
固態高靈敏圖像傳感器，尤其是科學級CMOS圖像傳感器，憑借其體積小、集成度高及功耗低等優勢，在空間高靈敏成像領域的應用中異軍突起。盡管科學級CMOS圖像傳感器可以實現低照度高靈敏成像，但還遠未達到單光子探測的輻射分辨能力。由于像素尺寸小，標準CMOS圖像傳感器在低光和高動態范圍（HDR）情況下往往面臨性能限制。每個像素光子通量的減少和較小的像素光電子存儲容量（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快。
量子CMOS圖像傳感器的出現，能夠進行光子數分辨、高速讀出和HDR。憑借QIS器件的光子數分辨能力，盡管像素尺寸較小，但是低光成像性能大大增強，并且得益于低光照下的擴展靈敏度，其動態范圍得到了改善，對于拓寬空間遙感高靈敏成像應用領域、提升相應的應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，是因為其像素陣列可以在極短的時間里生成Bit圖像。量子圖像傳感利用創新的半導體儀器設計在每個像素元件中實現了極小的輸出電容，從而極大地放大了每個光子產生的電信號。由于這種極高的信號放大率，與CMOS傳感器相比，量子圖像傳感器的相對噪聲降低了5到10倍，從而在室溫條件下實現了準確的單光子探測和光子數分辨。
近期，美國Gigajot Technology公司的研究人員在Scientific Reports上發表了一篇論文，該論文報道了一款基于CMOS有源像素的QIS，分辨率為1.63億像素，像素間距為1.1 μm，光學格式為1.26英寸。這是具有光子數分辨能力的低噪聲圖像傳感器中有史以來最高的像素分辨率。
該傳感器在臺積電完成設計和制造，采用45 nm/65 nm堆疊背照式（stacked BSI）CMOS圖像傳感器工藝。可以在單個設備中實現可靠的光子數分辨和高動態范圍成像。該QIS采用最先進的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分辨，從而實現業界領先的低光成像性能。此外，由于極低的本底噪聲和20k e-的擴展滿井容量，可實現95 dB的動態范圍。設計采用兩層堆疊結構，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。該傳感器的光學結構構建于像素襯底的背面，包括微透鏡（ML）、濾色器陣列（CFA）和金屬網格。為了實現2?×?2像素合并（Binning），采用了Quad Bayer CFA結構，其中的2?×?2像素單元共用相同的濾色器。為每個2?×?2像素單元構建了背面深溝槽隔離（B-DTI），以減少不同顏色之間的光電串擾。2?×?2像素單元中的每個1.1 μm間距像素都有一個獨立的光電二極管存儲阱（SW）。
QIS傳感器架構示意圖
這款傳感器的成功是開發Gigapixel QIS概念的另一個關鍵里程碑，它是一種理想的成像解決方案，可為智能手機、工業成像、醫療診斷、科學和生命科學成像等眾多應用提供超高分辨率、大光學格式、光子數分辨和HDR成像性能。
量子CMOS圖像傳感器的未來發展趨勢將向更高分辨率推進，更靈活的智能化成像模式。隨著航天遙感等應用層次的不斷深入以及應用領域的不斷拓展，甚高靈敏圖像傳感器的應用需求也將越來越廣泛。量子CMOS圖像傳感器因其優異的超低噪聲性能，還可以應用到星敏傳感器設計、系外行星探測等領域。可以預見，隨著量子CMOS圖像傳感器技術的進一步發展，勢必在更多領域得到更加廣泛的推廣和應用。
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