Технология активных пиксельных CMOS-сенсоров

Абстрактный
Технология активных пиксельных CMOS-сенсоров, широко используемая сегодня для цифровой обработки изображений, основана на аналоговых пикселях. Переход к цифровым пиксельным сенсорам может повысить отношение сигнал/шум и улучшить качество изображения, но может увеличить площадь пикселя до размеров, непрактичных для массового рынка потребительской электроники. Существует два основных подхода к проектированию цифровых пикселей. Первый использует методы оцифровки, которые в значительной степени основаны на свойствах фотодетектора и поэтому уникальны для обработки изображений. Второй основан на адаптации классического аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для преобразования данных внутри пикселя. Системы обработки изображений для медицинских, промышленных и охранных приложений — это развивающиеся рынки с меньшим объемом производства, которые могут извлечь выгоду из использования этих АЦП внутри пикселя. В этих приложениях обычно допустимы пиксели большего размера, а обработка изображений может осуществляться в невидимых спектральных диапазонах.
1.
ВВЕДЕНИЕ
Традиционно на рынке датчиков изображения доминировала технология ПЗС (приборов с зарядовой связью). Простота интеграции на кристалле, более высокая частота кадров, меньшее энергопотребление и более низкие производственные затраты подтолкнули технологию активных пиксельных датчиков (АПС) на основе комплементарной металл-оксидной полупроводниковой технологии (КМОП) к тому, чтобы догнать ПЗС. Эта тенденция особенно заметна на рынке потребительской электроники с большим объемом производства. Кроме того, разница в качестве изображения, которая давала ПЗС преимущество на ранних этапах, существенно сократилась за прошедшие годы.
При использовании технологий CCD или CMOS APS электронные датчики изображения основаны на аналоговых пикселях. В случае CCD-датчиков преобразование данных осуществляется на уровне платы, а в случае CMOS APS — на уровне микросхемы или столбца. Поскольку цифровые данные более устойчивы к шуму, переход к цифровым пикселям может улучшить показатели качества сигнала и шума. В частности, цифровые пиксели обеспечивают более высокое отношение сигнал/шум и искажения (SNDR), более низкие пределы темновой глубины (DL) и более широкий динамический диапазон (DR). SNDR напрямую связан с качеством изображения, DL проявляется в производительности при слабом освещении, а DR указывает максимальный диапазон яркости, который может быть корректно запечатлен в одном кадре.
В технологии цифровых пиксельных датчиков (DPS) преобразование данных происходит на уровне пикселей, где каждый пиксель выдает цифровой сигнал. Цифровые пиксели больше аналоговых, поскольку содержат больше блоков схемы и больше транзисторов на пиксель. В настоящее время наибольший объем рынка датчиков изображения приходится на потребительскую электронику, где предпочтительны малые пиксели и массивы с высоким разрешением. Многие конструкции DPS в настоящее время непригодны для этого сегмента рынка. Однако существуют медицинские, системы видеонаблюдения, промышленные и автомобильные приложения для обработки изображений, которые могут использовать большие пиксели и выигрывают от цифровых пикселей. Это растущие рынки с низким объемом производства, где обработка изображений иногда осуществляется в невидимых диапазонах спектра. Существует множество подходов к проектированию DPS, и для некоторых конкретных приложений предпочтительны одни подходы.
В данном обзорном исследовании в разделе 2 анализируется рынок CMOS-датчиков изображения, с акцентом на диверсификацию в невидимые спектральные диапазоны. В разделе 3 проводится сравнение и сопоставление различных архитектур цифровых пикселей, описанных в литературе. Основные положения суммированы в заключительном разделе.
2.
РАЗНООБРАЗИЕ КМОП-СЕНСОРОВ
Области применения CMOS-датчиков изображения разнообразны. Поскольку технические характеристики определяются конкретным применением, существует широкий спектр CMOS-датчиков изображения, которые различаются по таким свойствам, как технологический процесс изготовления, полоса пропускания изображения, использование цветовых фильтров с видимым диапазоном изображения, шаг пикселя, размер матрицы, площадь матрицы, частота обновления видеосигнала, характеристики при слабом освещении, динамический диапазон, характеристики временного и фиксированного шума, энергопотребление и рабочая температура. В целом, технологические разработки в основном определяются рыночным спросом.
2.1
РЫНОЧНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ
В аналитическом документе, опубликованном еще в 2010 году международной дорожной картой развития полупроводниковых технологий (ITRS), представлена ​​дорожная карта развития полупроводниковой промышленности, основанная на двух трендах. ¹  Первый тренд будущего развития получил название «“More than Moore”». Он фокусируется на миниатюризации устройств и в основном применяется к цифровым приложениям, таким как схемы памяти и логические схемы, и просто продолжает традиционный подход закона More. Второй тренд, получивший название «“More than Moore”», фокусируется на функциональной диверсификации полупроводниковых устройств. Он развился из микросистем, которые включают как цифровые, так и нецифровые функции и используют гетерогенную интеграцию для обеспечения взаимодействия с внешним миром. Примерами являются приложения, где используются преобразователи, т. е. датчики и исполнительные механизмы, а также подсистемы для генерации и управления питанием. Датчики изображения представляют собой гетерогенные микросистемы, которые требуют фотодетекторов для измерения, аналоговых схем для усиления и предварительной обработки и цифровых схем для управления и постобработки.
В то время как в рамках тренда «“More than Moore”» ITRS использует подход, основанный на технологическом продвижении, в рамках тренда «Больше, чем Мур» подход ITRS основан на определении областей, для которых разработка дорожной карты является осуществимой и желательной. В обновленной дорожной карте «“More than Moore”» от 2012 года² ITRS признает энергетику, освещение, автомобильную промышленность и здравоохранение секторами, являющимися ведущими технологическими драйверами. Разработки в последних двух секторах включают различные приложения, основанные на электронных системах визуализации.
В отчете компании Frost & Sullivan³, посвященном технологическим и рыночным тенденциям в области электронных датчиков изображения, указывается, что технологии CCD и CMOS APS с фронтальной подсветкой прошли стадию зрелости и сейчас находятся в упадке, в то время как технология CMOS APS с обратной подсветкой в ​​настоящее время развивается. Последняя требует истончения подложки, что обеспечивает более оптимальную структуру для получения изображений и позволяет осуществлять вертикальную интеграцию транзисторов и фотодиодов. Датчики изображения на основе органических CMOS-технологий и квантовых точек рассматриваются как технологии, находящиеся на стадии внедрения и роста.
Компания Frost & Sullivan также проводит анализ спроса. Анализ показывает, что устройства бытовой электроники требуют высокоразрешающих сенсорных матриц с минимальным размером пикселя, в то время как промышленные, охранные и системы видеонаблюдения требуют широких возможностей получения изображений с динамическим диапазоном. В некоторых медицинских приложениях, а также в системах безопасности и видеонаблюдения, требуется получение изображений в условиях низкой освещенности. На рис. 1 представлено распределение рынка датчиков изображения согласно презентации компании Yole Development. 4 В презентации также указывается, что, хотя на долю бытовой электроники приходится наибольшая часть рынка датчиков изображения, рынок приложений с малым объемом производства также растет и, как ожидается, будет способствовать дальнейшему росту отрасли.