超高分辨率量子图像传感器，具有可靠的光子数分辨和高动态范围性能
2022-08-21 08:46:10 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该超高分辨率量子图像传感器在台积电（TSMC）完成设计和制造，采用45 nm和65 nm堆叠背照式（stacked BSI）CMOS图像传感器工艺。该传感器架构如下图所示，QIS设计采用两层堆叠结构，其中像素位于顶部像素衬底上，读出电路位于底部ASIC衬底上。
近年来，在智能手机成像应用的推动下，超高分辨率图像传感器为数字摄影带来了灵活的数字变焦、裁剪和下采样（Down-sampling）等新功能。此外，这些图像传感器结合基于机器学习的图像重建方法，使图像细节增强、降噪和模式识别成为可能。这些功能在电影摄影、工业成像、医学诊断和科学成像（例如能够动态观察活细胞的大视场显微镜）中也有广泛的应用。
然而，由于像素尺寸小，标准CMOS图像传感器在低光和高动态范围（HDR）情况下往往面临性能限制。每个像素光子通量的减少和较小的像素光电子存储容量（通常称为全阱容量（FWC）），意味着这些图像传感器的低光信噪比（SNR）较差，而在明亮的光照条件下饱和过快。
为了克服这些限制，有研究提出了能够在室温下不需要利用电子雪崩效应实现精准单光子探测和光子计数的量子图像传感器（quanta image sensor，QIS）概念，能够进行光子数分辨、高速读出和HDR。凭借QIS器件的光子数分辨能力，尽管像素尺寸较小，但是低光成像性能大大增强，并且得益于低光照下的扩展灵敏度，其动态范围得到了改善。
达特茅斯学院（Dartmouth College）从2012年开始采用现有CMOS有源像素平台开发基于QIS的探测器。为了实现光子数分辨像素，通过使用新型像素器件结构降低感测节点的电容（称为浮动扩散（FD））来降低总输入参考读出噪声。在这种情况下，由每个光电子产生的电压信号（转换增益（CG））大幅增加，以轻松克服传感器中其余读出电路的背景噪声。
2015年，有研究首次展示了光子数分辨有源CMOS像素，其电子读取噪声低于0.4。这一突破在过去五年中已经成熟，并已应用于100万像素、400万像素和1600万像素QIS器件。这些新的QIS器件是对最初提出的单比特QIS概念的扩展，它们包含具有可靠的多比特光子数分辨和HDR能力的探测器阵列。
与此同时，基于单光子雪崩二极管（SPAD）的QIS探测器也在积极开发中。当检测到一个或多个光电子时，SPAD利用电子雪崩倍增实现超低读取噪声。与基于CMOS有源像素的QIS不同，SPAD可以检测单光子事件，但无法分辨光电子数：当在单个事件中检测到多个光电子时，SPAD的二进制输出将饱和。这给输出信号引入了额外的非线性，这是寻求精确光子计数的科学应用不想看到的。
在最先进的SPAD技术中，每个像素中的单光子事件用像素级模拟/数字计数器记录，每个像素中的总计数反映每个位置处的入射光强度。具有逐像素数字计数器的SPAD传感器的功耗和像素大小与计数器位深和速度成比例，这限制了像素尺寸的进一步缩小以及像素分辨率和动态范围的提高。
不过，业界正在探索不同的设计，包括具有时间选通和外推的多重曝光，以克服上述障碍。此外，SPAD传感器像素尺寸的进一步缩小还受到像素级读出电路的复杂性和像素间隔离所需的物理面积的限制，这使得像素间距在不久的将来很难进一步缩小到1 μm的水平。迄今报道的像素分辨率最高的SPAD传感器是一款像素尺寸为7.6 μm的320万像素器件。
这些当前限制使得基于CMOS有源像素的QIS更适合实现具有光子数分辨和HDR功能的超高分辨率图像传感器，用于智能手机、电影摄影、工业成像、医疗诊断、显微镜和其他成像应用。
据麦姆斯咨询报道，美国Gigajot Technology公司的研究人员近期在Scientific Reports上发表了一篇题为“Ultra-high-resolution quanta image sensor with reliable photon-number-resolving and high dynamic range capabilities”的论文。该论文报道了一款基于CMOS有源像素的QIS，分辨率为1.63亿像素，像素间距为1.1 μm，光学格式为1.26英寸。这是QIS探测器和光子数分辨传感器领域有报道的最高像素分辨率。
量子图像传感器设计
该传感器在台积电（TSMC）完成设计和制造，采用45 nm/65 nm堆叠背照式（stacked BSI）CMOS图像传感器工艺。该传感器架构如下图所示，QIS设计采用两层堆叠结构，其中像素位于顶部像素衬底上，读出电路位于底部ASIC衬底上。
QIS传感器架构示意图
该传感器包含一个14464（H） × 11264（V）、1.1 µm间距的像素阵列。像素的控制信号通过位于像素阵列左侧和右侧的高密度晶圆到晶圆（wafer-to-wafer）混合键合（HB）连接，从ASIC衬底发送到像素衬底。像素输出信号通过像素阵列内的HB连接到ASIC衬底。
该传感器的光学结构构建于像素衬底的背面，包括微透镜（ML）、滤色器阵列（CFA）和金属网格。为了实现2 × 2像素合并（Binning），该传感器采用了Quad Bayer CFA结构，其中的2 × 2像素单元共用相同的滤色器。为每个2 × 2像素单元构建了背面深沟槽隔离（B-DTI），以减少不同颜色之间的光电串扰。2 × 2像素单元中的每个1.1 μm间距像素都有一个独立的光电二极管存储阱（SW）。
QIS工作时序示意图
办公室照明条件（~ 400 lx）和超低光照条件（110 mlux）下的成像样张。高光图像用F/4镜头和40 ms曝光时间拍摄，低光图像用F/1.4镜头和160 ms曝光时间拍摄。
有无双像素增益（DPG）的HDR成像样张
在这项研究中，研究人员提出了一款1.63亿像素超高分辨率QIS，它可以同时实现光子数分辨和高动态范围性能。这是迄今报道的经实验验证的低噪声光子数分辨图像传感器中的最高像素分辨率。与其他特殊单光子检测系统不同，该QIS采用最先进的商业CMOS工艺制造，采用两层晶圆堆叠和BSI工艺，使其适合大规模生产。
其可靠的光子数分辨能力源自0.35 e-rms平均读取噪声，在不牺牲视场以提高空间分辨率的情况下，这一数值远低于其他科学成像系统。这种极低的读取噪声与DPG读出结构和20k e-的扩展全阱容量相结合，有助于实现95 dB的单次曝光动态范围，这非常具有竞争力，并且避免了多次曝光HDR相关的运动伪影。这种卓越的低光和HDR成像性能，均通过具有高空间分辨率的大型成像阵列得到证明。
这款传感器的成功是开发Gigapixel QIS概念的另一个关键里程碑，它是一种理想的成像解决方案，可为智能手机、工业成像、医疗诊断、科学和生命科学成像等众多应用提供超高分辨率、大光学格式、光子数分辨和HDR成像性能。
这款QIS的未来迭代包括进一步提高空间分辨率，使其达到超高画质像素及以上，将像素间距尺寸进一步缩小至1 µm以下，进一步优化功耗，以及面向计算成像应用，提高先进图像处理电路在传感器层的集成度。
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