CMOS圖像傳感器中像素技術的進化史

想象一下

移動設備及其日新月異的拍照功能已經成為我們日常生活的一個重要組成部分。得益于越來越先進的手持設備，人們能夠更加輕松地拍攝、記錄、存儲自己和周邊世界的圖像。盡管今天看來，這種功能已經再普遍不過了，但這一切并非憑空造就，而是人們歷經若干年甚至長達數十年的辛勤研發的成果。 隨著人們對更高質量圖像和更小尺寸設備的需求的不斷增加，創新、突破和進步也在不斷涌現。下面，我們將通過SK海力士CIS業務高級研究員吳薰翔 撰寫的一篇文章，詳細了解更多關于CMOS圖像傳感器（CMOS image sensor，簡稱 CIS）技術開發以及SK海力士對CIS技術做出的貢獻。

CIS圖像質量與像素（Pixel)

我們今天使用的大多數移動設備，如手機、平板電腦和筆記本電腦等，都至少裝有一個或多個攝像頭傳感器。我們在這些設備上拍攝的圖像的質量好壞是由傳感器中一種名為“像素”的電子機制決定的，而傳感器是將光信號轉換成電信號的關鍵部件。

在眾多的圖像質量指標中，最具代表性的是被稱為“圖像信噪比（Signal-to-Noise Ratio，簡稱 SNR）”的定義和測量過程（圖1）。為了獲得較高的圖像信噪比，我們需要增加信號項和降低噪聲項，而這些項主要取決于滿阱容量、靈敏度、像素暗噪聲、讀出電路噪聲和像素串擾等像素性能指標。

在明亮條件下，滿阱容量和像素串擾是影響圖像信噪比的主要因素；而在黑暗條件下，靈敏度、像素暗噪聲、讀出電路噪聲和像素串擾則是影響圖像信噪比的主要因素。因此，從技術角度來看，在黑暗條件下獲得較為理想的圖像信噪比，即更佳的圖像質量，就更為困難，這是因為我們需要控制并改進許多像素的性能指標。

CIS像素發展歷程

在過去的十年里，人們對更高分辨率傳感器的需求不斷提高，同時也不斷致力于開發出更小的像素。圖2展示了CIS像素技術的發展歷程，從中我們可以看到像素大小縮放的技術壁壘是如何被攻克的。像素縮小技術的創新分為三個階段: （1）靈敏度（Sensitivity）；（2）串擾（Crosstalk）；和（3）QUAD（或 TETRA）像素技術。

在第一階段，像素工程師們致力于彌補因像素尺寸減小而導致的靈敏度受損，由此研發出包括片上透鏡（或微透鏡）、更厚的硅光電二級管和背照式等在內的許多創新技術。。在第二階段，即像素尺寸達到1微米左右時，像素工程師們更多地將注意力放在減少串擾上。在此期間，為了抑制光電串擾，研究人員研發出了彩色濾光片層金屬柵極結構和硅光電二極管深槽隔離工藝等新技術。

隨著像素尺寸不斷縮小到亞微米范圍，研究人員針對小像素在弱光照環境下的敏感度問題，提出了一種全新的、基于QUAD或TETRA像素結構的像素工作模式概念。QUAD像素的基本工作原理如圖3所示。預計在未來，所有亞微米尺寸像素也將采用這種QUAD像素方案。

圖像傳感器與SK海力士

SK海力士從2007年開始投身CIS業務，十多年來一直致力于生產基于8英寸晶圓的圖像傳感器產品。隨著基于物聯網（IoT）和5G技術的ICT時代的到來，圖像傳感器市場正在迅速發展，SK海力士也在大力發展CIS業務，并將其作為存儲器業務以外的又一業務增長引擎，從而滿足市場不斷增長的需求。經過數年來針對12英寸晶圓CIS的工藝準備，SK海力士于2019年推出了一款基于12英寸晶圓的1.0微米產品，該產品采用了公司專有的Black Pearl像素技術，憑借極具競爭力的像素性能，獲得了客戶的一致好評。Black Pearl具有改進后的噪聲特性，能夠在低照度條件下實現低噪聲的清晰圖像。

展望未來

SK海力士始終致力于提供一流的傳感器性能和生產能力，并將在未來十年內將其技術提升到更高水平。目前，SK海力士正在根據產品性能和價格競爭力，將CIS產品組合范圍從中端擴展到高端。公司將在2020年及以后加大對CIS業務領域的投入，并躋身CIS業務世界領先行列。