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紅外、中國和3D堆疊:CMOS的發展趨勢

發布時間:2019-04-24     來源:中國視覺網       訪問次數:2010


   3月13日在倫敦舉行的Image Sensors歐洲會議的開幕式上,Analog Value的首席技術官兼創始人Vladimir Koifman在會議上上介紹了紅外傳感技術的進步、堆疊式傳感器以及中國市場的價格趨勢。
   Koifman說:“堆疊式傳感器中的像素級互聯將在未來五到十年改變圖像傳感器的工作方式?!?br />    他提到了索尼的140萬像素堆疊式傳感器,該傳感器于2018年2月在舊金山舉行的國際固態電路會議(ISSCC)上亮相。背照式傳感器中的每個像素都有自己的模數轉換器(ADC),因此每個像素在全局快門中同時讀出。
   索尼在發布聲明時表示,這是業界首創:一款背光CMOS傳感器,像素并行ADC超過100萬像素。
  ADC使用銅銅互連堆疊在像素下方。與傳統的列模數轉換方法相比,該傳感器具有近1,000倍的ADC。索尼為傳感器開發了一種低電流14位ADC。
  Koifman在Image Sensors Europe表示,索尼的傳感器是ADC架構設計轉變的一部分,它有可能提高快門效率和全局快門傳感器的性能。
  在2018年國際電子設備大會上,Omnivision推出了一款像素級互連的HDR堆疊成像儀,奧林巴斯也推出了一款1600萬像素、400萬像素互連的傳感器。
中國創新
  Koifman表示,目前中國有8家CMOS圖像傳感器制造商,而10年前只有4家。
   他指出,中國的傳感器公司已經成功地將成本降低到了很低的水平。 2017年,Superpix發布了一款集成ISP的QVGA傳感器,售價0.068美元,是當時市場上最具競爭力的QVGA芯片。
   Koifman說,20年前這樣的芯片售價50美元或30美元。 “這是一項重大成就,”他說。
   Koifman觀察到,這些價格降低不僅僅是通過使用廉價的鑄造廠來降低成本,而且也是通過有效利用硅面積,減少像素陣列周圍的區域來進行優化。一些中國公司,如Galaxycore,在區域優化方面表現出色。
   就性能而言,雖然目前還無法和索尼、Omnivision等相媲美,但也不是遙不可及。
   Koifman介紹的另一家中國公司是gpixel,成立于2012年,總部位于中國長春,在日本橫濱和比利時安特衛普設有辦事處。他說,該公司“贏得了大量追隨者”,特別是在工業領域,許多公司都轉向了使用gpixel傳感器。
   Koifman將GPixel的成功部分歸功于能夠毫不拖延地交付產品。他說,一些圖像傳感器公司雖然發布傳感器,但這些傳感器尚未準備好進行全面生產,導致交貨期會延遲很長一段時間。但是GPixel卻總是能夠履行給客戶承兌,縮短交換周期。
   GPixel在長春通過YCM獲得了一個低容量的高端BSI晶圓廠,支持8英寸和12英寸的晶圓尺寸。該公司的sCMOS產品與BSI兼容。
   Gpixel的首席商務官Wim Wuyts在會議上的演講中表示,該公司還可以通過YCM獲得高端產品的3D堆疊技術。
   “它[3D堆疊]打開了一個不同的維度,我們[Gpixel]可以顯著提高讀出速度,”Wuyts并補充說這項技術將克服與單片方法相關的一些物理挑戰。
紅外成像
   Koifman談到的另一個趨勢是提高CMOS傳感器的紅外靈敏度。有許多方法可以提高紅外靈敏度,包括:增強像素光學系統的靈敏度,例如Sony,Smartsens和Omnivision的傳感器;絕緣體上硅(SOI)技術,用于iPhone X的傳感器;例如,可以在臺積電(TSMC)獲得硅和鍺(siliconium-on-silicon),并將靈敏度提高到1.55μm。硅鍺具有高暗電流,因此不用于直接成像,但適用于曝光時間為幾十納秒的飛行時間傳感器。
   來自日本松下的Kazuko Nishimura介紹了該公司的有機CMOS傳感器,該傳感器具有用于光電轉換的有機光電導膜,并提供可以電子控制的高近紅外靈敏度。這是通過具有兩個有機層,一個用于收集RGB光和另一個近紅外輻射,以及通過控制施加到每個有機層的電壓來實現的。
   有機CMOS傳感器還提供寬動態范圍,具有像素內噪聲消除功能,并通過控制光電轉換提供全局快門。 Panasonic的傳感器首次在ISSCC 2018上展出,具有3μm方形像素,分辨率為8,192 x 4,320像素,速度為60fps,采用65nm工藝技術。
   Photolitics的MartinW?ny在他關于醫學成像的演講中評論說,通過使用量子點或石墨烯光轉換層來擴展SWIR的光譜范圍有很多可能。他說,這些技術仍然主要處于新興階段,但它們可能足以應對專業領域。
   美國的SWIR Vision Systems最近推出了基于量子點傳感器的SWIR相機,而Emberion是一家開發具有石墨烯層的傳感器的公司。
全局和滾動快門正在變小
   Koifman介紹的其他技術趨勢包括:更小的全局快門像素——TowerJazz在今年早些時候發布了一款具有2.5微米像素的全局快門CMOS傳感器,在過去的七到八年里,滾動快門像素的尺寸一直保持不變,但現在已經縮小到0.8微米甚至更小。
   SPAD成像儀也有很多投資,事件驅動的傳感器正在通過,現在有更多具有組合功能的傳感器,例如具有成像功能的激光雷達。 Koifman指出,大多數激光雷達公司正在開發自己的圖像傳感器,幾乎所有公司都有圖像傳感器設計。



圖片:Gpixel的GMAX3265 65萬像素分辨率圖像傳感器