淺談圖像傳感器（二）--讀者回復(fù)

上次提到image sensor的創(chuàng)新思路主要分為新材料體系、新電路設(shè)計(jì)和架構(gòu)，新物理機(jī)制，新功能設(shè)計(jì)，當(dāng)然還有新器件設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。在創(chuàng)新上，學(xué)術(shù)界一般比較腦洞大，各種奇思妙想都有。產(chǎn)業(yè)界相對保守，CMOS兼容這個(gè)條件使得他們在創(chuàng)新上不得不帶上枷鎖進(jìn)行發(fā)揮，此外，他們的“新型”是為了參數(shù)、成本、功能的綜合提升而服務(wù)的，而不是為了創(chuàng)新和探索而去做“新型”。下面舉幾個(gè)例子。

Stack image sensor（代表：Sony）

“節(jié)點(diǎn)不夠，堆疊來湊”，摩爾定律的續(xù)命已經(jīng)在往3D堆疊，先進(jìn)封裝的方向發(fā)展，來通過DTCO實(shí)現(xiàn)PPAC的整體調(diào)優(yōu)。這一套同樣也適用于CIS，尤其是追求小像素尺寸的設(shè)計(jì)。

Sony在2017年的TEDM上推出了基于TSV技術(shù)的三層堆疊式CIS結(jié)構(gòu)（Pixel/DRAM/logic 3-layer stacked CMOS image sensor technology鏈接為https://ieeexplore.ieee.org/document/8268317 實(shí)現(xiàn)了將pixel，DRAM，與logic die進(jìn)行垂直stacking。這一設(shè)計(jì)在保證pixel die性能的前提下，引入DRAM，從而實(shí)現(xiàn)motion blur 的抑制。

接著，Sony繼續(xù)利用其stack工藝上的優(yōu)勢，在2021 年IEDM上推出自己的像素堆疊式CMOS圖像傳感器。像素結(jié)構(gòu)依然是經(jīng)典的4T電路結(jié)構(gòu)（加入了像素級binning）。像素晶體管和pd分別在垂直方向上的兩層芯片上，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，PD和像素級讀出電路在同一層上，這一堆疊式CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：

• 第一層全是PD感光面，F(xiàn)F可以更大
• 第二層有充足的面積給像素級電路中的管子，實(shí)現(xiàn)尺寸調(diào)優(yōu)，也可以設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的像素級電路，而不用擔(dān)心占用面積
• PD和像素晶體管可以獨(dú)立優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各自的性能最優(yōu)設(shè)計(jì)
• 可以實(shí)現(xiàn)像素的進(jìn)一步scaling

（圖片來源：Sony Develops World’s First*1 Stacked CMOS Image Sensor Technologywith 2-Layer Transistor Pixel｜News Releases｜Sony Semiconductor Solutions Group (sony-semicon.com)）

這一類型的創(chuàng)新工作還有很多，主要思路是：

借助新型工藝，先進(jìn)封裝的賦能，實(shí)現(xiàn)CIS的整體性能調(diào)優(yōu)。

分光代替濾光（代表：三星）

說到分光代替濾光這一思路，我之前也有想到，是在快畢業(yè)的時(shí)候聽到一個(gè)CIS公司的宣講，講到傳統(tǒng)的RGB byer filter使得入射光的功率損失，不利于弱光探測，所以有了RGBW，互補(bǔ)色等一系列方案，當(dāng)時(shí)就想到，那如果不用濾光片，直接在像素上用基于metasurface的分光片，是不是可以實(shí)現(xiàn)入射光信號的充分利用呢？而且是否可以不局限于RGBW，實(shí)現(xiàn)更多色分光，乃至實(shí)現(xiàn)多色通道成像。然后大概過了一年，就看到了三星2022年在NC上的工作（Zou, X., Zhang, Y., Lin, R. et al. Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces. Nat Commun 13, 3288 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31019-7）

這一方案引出的一個(gè)思路是：

借助了最近微納光學(xué)的一些發(fā)展，尤其是在metasurface ，metalens上，CIS可以實(shí)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)上創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)新功能、高性能。

相關(guān)的類似工作還有很多，包括一些filter-free的設(shè)計(jì)，比如Hyunsung Park, Yaping Dan, Kwanyong Seo, Young J. Yu, Peter K. Duane, Munib Wober, and Kenneth B. Crozier Nano Letters 2014 14 (4), 1804-1809，DOI: 10.1021/nl404379w （基于硅納米線）

Quantum Dot image sensor

說到filter-free，還有一些工作直接去掉了pixel前面的光學(xué)元件，比如量子點(diǎn)的image sensor。

基于量子點(diǎn)的sensor的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1. 帶隙連續(xù)可調(diào)，

2. 吸收譜設(shè)計(jì)范圍廣?？赏卣辜t外波段

3. 感光單元體積小，柔性化和小型化容易

4. 工藝兼容性相對較好

Quantum Dot image sensor的相關(guān)工作還有挺多，甚至已經(jīng)有了一些初步的產(chǎn)品。Researchers use quantum dots to create high resolution three-layer sensor: Digital Photography Review (dpreview.com)

相關(guān)工作還有：

Lee, J., Georgitzikis, E., Hermans, Y. et al. Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure. Nat Electron 6, 590–598 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01016-9[IMEC Pinned photodiode的量子點(diǎn)image sensor]

2. Bao, J., Bawendi, M. A colloidal quantum dot spectrometer. Nature 523, 67–70 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14576（量子點(diǎn)光譜儀）

3. Goossens, S., Navickaite, G., Monasterio, C. et al. Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photon 11, 366–371 (2017). https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.75（量子點(diǎn)+石墨烯 CMOS兼容）

4. Goossens, S., Navickaite, G., Monasterio, C. et al. Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photon 11, 366–371 (2017). https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.75（量子點(diǎn) PVFET高頻高增益的兼得）

5. Zeissler, K. Quantum dot image sensors scale up. Nat Electron 4, 861 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00701-x（介紹意法半導(dǎo)體展示300mm硅片上規(guī)模量產(chǎn)量子點(diǎn)SWIR圖像傳感器工作的報(bào)道）

6. Liu, J., Liu, P., Chen, D. et al. A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry. Nat Electron 5, 443–451 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00779-x（華為聯(lián)合華中科技大學(xué)唐江團(tuán)隊(duì)做的量子點(diǎn)紅外成像芯片）

借助新型材料的優(yōu)勢，在工藝兼容下實(shí)現(xiàn)性能提升和功能拓展

目前除了量子點(diǎn)外研究的材料還包括：二維材料，有機(jī)材料，納米線等