今天小編分享的科技經驗：影像傳感器輝煌60年，走向何方？，歡迎閲讀。
60年固态影像傳感器發展及前沿技術回顧。
本文回顧了近 60 年的固态影像傳感器發展歷程，并指出了該領網域潛在的新前沿。從 20 世紀 60 年代的早期工作，到電荷耦合器件影像傳感器的發展，再到如今我們生活中無處不在的互補金屬氧化物半導體影像傳感器，我們讨論了進化鏈中的亮點。簡要讨論了 3D 堆疊技術、光子計數技術等新前沿。
引言
捕捉影像是人類自史前時代就開始的一項活動，而照相機捕捉影像成為人類文化的一部分已有近 200 年的歷史。影像傳感器是微電子硅芯片，是每台數碼相機的核心部件，它将光轉換成适合計算機傳輸、存儲和處理的電信号，供機器和人類使用。影像傳感器對人類文化的影響始于二十一世紀，甚至可能更早。數碼相機最早采用電荷耦合器件（CCD）影像傳感器，目前則采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像傳感器（CIS）。
這些攝像頭被廣泛應用于移動智能手機、汽車、網絡攝像頭、醫療設備、安全系統、國防技術和太空等眾多領網域。以影像為基礎的社交媒體，如 Facebook、Instagram、YouTube 和 TikTok，對社會的影響無論好壞都難以低估。然而，一個無可争議的積極影響是，每個人口袋裏的相機都有助于實現社會正義。
本文旨在簡要概述該領網域的主要發展并説明其來龍去脈。若要全面介紹該領網域的情況，需要撰寫幾卷書，因此我們的目的是提供一份關鍵突破性出版品和綜述論文的骨架指南。本指南和參考文獻并不完善，許多有趣的側面發展也遺憾地在本綜述中被忽略。
二十世紀歷史發展的裏程碑
一、陰極射線管攝影機影像拾取技術
使用陰極射線管（CRT）技術進行電子攝像影像拾取的概念可追溯到 20 世紀初電視時代的黎明前。在拾取式顯像管中，聚焦的電子束在光電陰極表面進行光栅掃描，光電陰極表面也被聚焦的光學影像照亮。光和掃描光束從光電陰極釋放出的電子產生電流，表明光電陰極該部分的瞬時光強度。人們很快意識到，如果能在整個光栅掃描周期内存儲或整合光電陰極電荷，并将其作為光電導增益來實現，那麼就能產生更多的探測器信号，攝像管的靈敏度也會大大提高。
直到 20 世紀 80 年代末甚至 90 年代初，在固态影像傳感器的性能優勢在高質量視頻應用中得到充分體現之前的幾十年裏，許多不同類型、性能得到改進的攝像管相繼問世。
攝影機影像拾取管在實際應用中的許多想法後來都在固态成像設備中得到了重新構想或創新。其中包括光栅掃描讀出；像素内整合光信号以提高信噪比（SNR）；彩色濾光片以實現色彩再現；甚至還有影像拾取管直徑尺寸的命名法，盡管這種命名法在影像傳感器芯片尺寸中并不準确，但仍被保留了下來。
二、20 世紀 60 年代固态影像傳感器--開端
20 世紀 60 年代，集成半導體器件真正嶄露頭角，半導體的光敏性在當時已廣為人知。一些早期器件包括霍尼韋爾公司的光敏結器件（Morrison 1963）、IBM 公司的 n-p-n 光電敏感結掃描晶體管陣列（Horton et al. 1964）和西屋公司的 50 × 50 元光電晶體管陣列（Schuster & Strull 1966）。這些設備的輸出信号與瞬時光輸入信号成正比，沒有刻意積分，因此信号很弱，需要像素内部的增益進行放大。從本質上講，這就是最早的有源像素傳感器。
仙童半導體公司的韋克勒（Weckler，1967 年）利用 p-n 結光電探測器的固有電容，實現了對像素中的瞬時光感應信号進行積分的飛躍。可見光光子以一定的量子效率產生光電子，這些光電子被收集起來并作為電荷集成到結電容上。仙童半導體公司在一年後報告了 100 × 100 陣列的此類硅光電探測器（Dyck & Weckler，1968 年）。電容上積累的電荷通過開關電路網絡被動讀出，當每個像素被選中時，輸出端會產生電流或電壓脈衝。這種結構被稱為無源像素傳感器。
大約在同一時期，Plessey 公司的 Noble（1968 年）和 Chamberlain（1969 年）也在探索類似的設備和自掃描硅影像探測器陣列。他們的讀出電路比仙童的工作更為復雜，采用電荷積分放大器将電荷轉換為讀出電壓，或在每個像素中安裝有源随動器，将電荷轉換為栅極電壓，并驅動每個像素的電壓輸出信号，作為有源像素傳感器。
與成像管相比，固态影像傳感器具有體積小、重量輕、可靠性高和相機系統功耗低等優點。然而，到 1970 年，固态影像傳感器由于固定模式噪聲（FPN）（由像素本身和像素讀出電路引起的變化）和較低的信噪比（由讀出的時間噪聲和反應較慢的光電探測器引起），影像質量不如顯像管，而且這些設備在視頻或靜态相機領網域的市場滲透率不高。
1969 年，Smith和Boyle在貝爾實驗室發明了 CCD。CCD 影像傳感器相對來説不存在 FPN 問題，當與相關雙采樣 (CDS：correlated double sampling) 結合使用時，讀出噪聲更低（White 等人，1973 年）。除了日立、松下和 Reticon 在 MOS 影像傳感器方面的一些努力之外，其他金屬氧化物半導體 (MOS) 和雙極方法大多被放棄。遺憾的是，由于殘留的 FPN 和時間噪聲，以及較大像素設備較低的分辨率和較高的制造成本，這些努力未能生產出在性能上可與 CCD 競争的影像傳感器。
三、電荷耦合器件主導固态影像傳感器（20 世紀 70 年代至 80 年代）
下面将讨論 CCD 在 20 世紀 70 年代和 80 年代作為固态影像傳感器的發展和崛起。
1.電荷耦合器件。
CCD 是一種半導體電荷轉移器件，通過在 MOS 栅電極上產生一系列脈衝來控制半導體中的靜電電勢分布，從而在半導體中傳輸電荷包（圖 1）。就在 CCD 于 1970 年被提出（Boyle 和 Smith，1970 年）之前，有報道稱bucket-brigade 裝置 (BBD) 也是一種電荷轉移裝置（Sangster 和 Teer，1969 年；Sangster，1970 年）。然而，與 BBD 相比，CCD 原則上具有更高的電荷轉移效率，這對于電荷轉移設備的良好性能至關重要。CCD 電荷包可以通過電子或光學方式產生。在前一種情況下，CCD 充當信号處理的延遲線，而在後一種情況下，CCD 可用作影像傳感器。CCD 影像傳感器既可用作光電探測器陣列，也可用作讀出設備（通過順序信号傳輸）。然而，這樣的全幀 CCD 需要一個機械快門來阻止載流子在讀出過程中產生光學信号，以避免影像的塗抹。因此，全幀 CCD 可用于數字靜态照相機和 X 射線（猝發）應用，但不便于視頻應用。
圖 1 ：四相電荷耦合器件圖、電位井圖和時鍾圖。當四個時鍾依次切換時，電位井與電荷包一起向右移動。
2、幀轉移電荷耦合器件影像傳感器。
為了避免這種污點并制造出實用的攝影機，湯姆塞特及其同事（Tompsett et al. 1971, Séquin et al. 1973）發明了幀轉移（FT）CCD 影像傳感器。它由一個影像區和一個遮光（如用金屬覆蓋）存儲區組成。FT CCD 結構相對簡單，因為只有 MOS 電容，但由于存儲區的存在，它需要較大的芯片尺寸。MOS 電容器的多晶硅栅極會在一定程度上吸收光線，因此靈敏度有限，尤其是對藍光的靈敏度（Kosonocky & Carnes 1971）。與不久後發明的性能更高、成本更低的線間轉移 (ILT) CCD 影像傳感器相比，FT CCD 的產量較小。
3、線間轉移電荷耦合器件影像傳感器。
ILT CCD 是作為雙線性 CCD 影像傳感器的發展而發明的。如圖 2 所示，ILT CCD 像素的光電二極管 (PD) 位于相鄰的并行移位寄存器之間（Amelio，1973 年；Walsh & Dyck，1973 年）。這種設計使得 CCD 移位寄存器可以用遮光材料覆蓋。在曝光期間，信号電子積聚在 PD 的電位井中。曝光期結束後，信号電子被傳輸到平行垂直 CCD（VCCD）移位寄存器，并通過快速水平 CCD 移位寄存器傳輸到輸出放大器。PD 用于信号電子的產生和積分，而 CCD 移位寄存器僅用于信号電子的傳輸，并被遮光板（如金屬）覆蓋。因此，在 FT CCD 中出現的影像塗抹現象大大減少（Teranishi 和 Ishihara，1987 年）。由于所有 PD 的電荷都是同時轉移的，因此它就像一個全局快門，這意味着所有像素信号都是同時整合的。為了提高性能，可以在每個像素上安裝微透鏡和彩色濾光片；下文将對這些機制進行説明。
圖 2 ：三相線間傳輸電荷耦合器件（ILT）的示意圖，顯示（左）帶有光電二極管（PD）和垂直 CCD 的單元，（右）整個 ILT CCD 影像傳感器。光信号從光電二極管進入垂直 CCD，然後進入水平 CCD，最後到達感應節點和輸出放大器。
在輸出端，電子信号通過浮動擴散放大器轉換為電壓信号（卡恩斯，1972 年）。此外，為了抑制浮動擴散的復位噪聲，還使用了 CDS。
CCD 最初會出現 "綻放 "（ blooming）現象，即電子從 PD 向 VCCD 和鄰近 PD 的強照明溢出。為了解決這一問題，有人提出了橫向溢流漏極，但這會消耗額外的像素面積（Séquin，1972 年）。為了克服這一缺點，人們發明了垂直溢流漏極（Ishihara 等人，1982 年）。
4、引腳光電二極管。
針腳式光電二極管（PPD）技術（Teranishi 等人，1982 年；Fossum & Hondongwa，2014 年；Teranishi，2016 年）将 CCD 影像傳感器的性能提升到了足以使 CCD 成功超越傳統拾光管的地步。PPD 有兩個顯著特點。首先是 PD n 區網域上的 p+ 引腳層，如圖 3a 所示。雖然在硅界面上有許多生成-重組（GR）中心，但 p+ 層會固定費米級，即使在 PD n 區完全耗盡時，也能防止界面耗盡。因此，GR 中心并不活躍，從而實現了低暗電流（Theuwissen，2006 年）。此外，由于 PD n 區存儲井上下都有 p-n 結，因此其電容更大，飽和度也更高。
圖 3 ：線間轉移 CCD 中的引腳式 PD，圖中顯示了 CCD 移位寄存器 (VCCD) 的一個相位。(a) 物理橫截面和 (b) 顯示電子從 PD 轉移到 VCCD 的電位圖。縮寫：CCD，電荷耦合器件；CS，通道截止；PD，光電二極管；TG，轉移門；VCCD，垂直 CCD。
PPD 的第二個特點是完全電荷轉移（圖 3b）。當 PD n 區完全耗盡時，PD n 區的電位 V dep 低于導通狀态下轉移栅極 (TG) 的溝道電位 V TG。電位差 V TG - V Dep 是電子從 PD 轉移到 VCCD 的驅動力。電子轉移的最後階段尤其需要電位差。如果沒有電位差，一些信号電子可能會留在 PD 中，從而導致影像滞後。
PPD 技術不僅用于 ILT CCD 影像傳感器，也用于 CMOS 影像傳感器，詳見第 3 節。目前，幾乎所有影像傳感器都使用 PPD。
5、延時積分影像傳感器
延時積分（TDI：time delay and integration）影像傳感器以光學影像在影像傳感器表面掃描的相同速度，同步傳輸在 CCD 階段積分的光信号，從而延長有效積分時間，避免運動模糊（Barbe，1976 年；Farrier & Dyck，1980 年；Schlig，1986 年）。TDI 對許多檢測系統、高性能檔案和藝術品掃描以及航空推帚成像（push-broom imaging）都很重要。
6、彩色濾光片和微透鏡
影像傳感器上的鑲嵌式彩色濾光片陣列可產生彩色信号。CCD 影像傳感器和 CMOS 影像傳感器最常用的濾光片類型是拜爾濾光片（Bayer 1976），它是一個由兩個綠色、一個紅色和一個藍色像素濾光片組成的内核。随後又開發出了片上彩色濾光片陣列（Aoki 等人，1980 年）。人們還探索了許多其他組合，以權衡某些特性和其他特性
為了增加有效孔徑比和提高靈敏度，人們利用樹脂熱流（Ishihara 和 Tanigaki，1983 年）使樹脂熔化并變圓，制造出了圖 4 所示的片上微透鏡。這種方法還可以實現批量生產。為了提高有效孔徑比，開發了一種無間隙微透鏡--内微透鏡（Sano et al. 1996）。附加的内透鏡就位于硅片上方的附近，可以獲得更大的數值孔徑，從而更有效地收集光線。
圖 4 微透鏡将光線集中在像素的光活性區網域。(a) 俯視圖。(b) 不同熱流時間的截面圖。圖片由 NEC 公司提供。
7、大面積影像傳感器的拼接技術。
大面積和/或長面積影像傳感器有時需要用于特定應用，如 35 毫米全尺寸數碼單鏡反光照相機、天文望遠鏡、X 射線傳感器和線性影像傳感器。CCD 影像傳感器和 CMOS 影像傳感器是使用光刻用步進機和掃描器制造的。步進器和掃描器的曝光面積約為 33 毫米 × 26 毫米。縫合技術的發明是為了實現比光刻工具最大曝光尺寸更大的芯片尺寸。拼接技術是指使用掩膜的不同部分對大型芯片進行連續曝光，每次曝光一個區網域，以建立超過單次曝光面積的影像層（Rominger，1988 年；Monma & Yuzurihara，1993 年；Kreider 等，1995 年；Monma & Yuzurihara，1998 年）。
當連續重復曝光時，就會形成完整的影像傳感器。即使是非常大的全晶圓尺寸影像傳感器（CCD 和 CMOS）也是用這種方法制造的（例如，Lesser 等人，1997 年；Ay & Fossum，2006 年；Zacharias 等人，2007 年；Yamashita 等人，2011 年）（見圖 5）。
圖 5 ：直徑 6 英寸晶圓上的 16 像素縫合互補金屬氧化物半導體影像傳感器。轉載自 Ay & Fossum (2006)。
四、電荷耦合器件的一些問題（約 1990 年）
CCD 以其出色的影像質量而著稱，部分原因是其漏電流（或暗電流）非常低。盡管如此，CCD 仍然存在一些問題，下文将對其中幾個問題進行簡要讨論。
1、電荷轉移效率。
CCD 的基本工作原理是基于電荷包的傳輸（Boyle 和 Smith，1970 年）。這些電荷包在像素中產生，需要傳輸到輸出節點，并在那裏将電荷包（ charge packet）轉換為電壓（或電流）。例如，在一個 6-Mpixel CCD 影像傳感器中，在最壞的情況下，電荷包必須經過大約 17,000 次門到門的傳輸。遺憾的是，這些傳輸并不總是完美的。有兩個主要問題會限制傳輸效率：傳輸時間有限以及電荷被表面态或體态捕獲。如果 17,000 次轉移需要 98% 以上的整體電荷轉移效率 (CTE)，那麼每次電荷轉移的效率就需要達到 99.9999%（0.99999917,000 ≅0.983），即平均每次轉移 100 萬個電子中損失 1 個電子。随着陣列尺寸增大（傳輸次數增多）或以更高幀頻運行（每次傳輸的時間減少），保持高總體 CTE 的需求變得更具挑戰性，這導致 CCD 難以擴展（Theuwissen，1995 年）。
通過在 CCD 通道中引入額外的植入物，形成埋入式通道 CCD (BCD)，對 CCD 的 CTE 進行了優化（Walden 等人，1972 年）。在 BCCD 中，電荷包不再沿着硅-二氧化硅界面傳輸，而是在硅中稍深的通道中傳輸。這種改變導致電荷包與界面狀态之間（幾乎）沒有相互作用，同時產生了更大的邊緣場，從而提高了電荷包的傳輸速度。在空間環境中，輻射會随着時間的推移增加表面态和體态或陷阱，冷卻 CCD 以減少暗電流會加劇對 CTE 的影響。
2、讀出率。
保持較高的 CTE 會限制電荷包從一個階段傳輸到下一個階段的速度，而提高栅極上的時鍾電壓以加快電荷傳輸速度也會因硅擊穿而受到實際限制。在高清電視消費設備中，CCD 時鍾速率達到了 30-60 MHz，但通往更大格式或更快幀速率的道路尚不明确，特别是考慮到功耗。此外，提高輸出放大器的速度還會因晶體管白噪聲而增加讀出噪聲。降低輸出級帶寬要求的一種方法是使用較慢的并行輸出（Lee 等人，1981 年），但由于輸出級與輸出級之間的偏移和增益變化，這會帶來固定模式噪聲問題。在實際應用中，高速時鍾只能通過低電阻栅極和與這些栅極的低電阻互連來實現。配備鎢帶的 CCD 栅極可以實現這些目标，但代價是復雜而昂貴的制造工藝（Morimoto 等人，1992 年）。
3、電源
原則上，CCD 是數百萬個 MOS 電容器的集合體。這些 MOS 電容器是在 SiO2（-Si3N4）栅極電介質上通過多晶硅栅極制成的。在前面 3K × 2K 像素陣列的例子中，像素間距為 12μm，垂直傳輸相的電容值為 2 nF/相，而水平傳輸相的電容值為 150 pF/相（Theuwissen 等人，1998 年）。這些電容需要充電和放電（例如，垂直時鍾在 0 V 至 10 V 之間，水平時鍾在 0 V 至 5 V 之間），這就增加了總的能源成本。每幀所需的傳輸相位能量為[使用公式能量（E）=電容（C）×電壓（V2）]。
所需的時鍾功率為每幀能量 × 幀頻。提高幀頻會相應增加消耗和耗散功率。值得注意的是，大量能量需要通過外部（CCD 外）驅動器提供。如果考慮到沉澱時間問題，片外電流驅動器所需的功率會更大。當像素數增加和/或相同尺寸像素的幀頻增加時，問題會更加嚴重。
4.生產良率。
良品率是指合格器件的數量與制造的器件總數之比，可嚴重影響制造成本和盈利能力。半導體制造工廠花費了大量精力來最大限度地提高產量。制造工藝和設計要經過許多制造部件的調整，以優化成品率。與其他電子產品相比，CCD 的制造采用了非同尋常的工藝，而且產量相對較低。這兩個因素都會對成品率產生負面影響。此外，制造設備的成本需要根據制造部件的數量進行攤銷。產量降低也會增加攤銷成本。
導致成品率不盡如人意的一個原因是确保高 CTE 所需的結構。為了使電荷包能夠順利有效地傳輸，MOS 電容器需要緊密間隔，兩個相鄰電容器之間的間隙需要盡可能小，最好小于 0.25 μm。栅極之間較大的間隙會引入勢壘，阻礙電荷轉移。在 CCD 首次成為影像傳感器時，無法在 0.5 微米厚的多晶硅層上蝕刻出 0.25 微米的間隙。因此，我們使用了多層聚硅氧烷層，以實現重疊的 MOS 電容器。這導致電容器與電容器之間的間隙與多晶硅栅極頂部隔離層的厚度相同，通常為 0.2 μm。大多數 CCD 采用三層多晶硅技術。蝕刻第一層多晶硅層相對容易，在四階段傳輸系統中，第一階段和第三階段可由第一層多晶硅層制成。第二階段使用第二層多晶硅，第四階段使用第三層多晶硅。這樣，第二層和第三層多晶硅層只生產一個階段。這對生產產量非常有利。蝕刻重疊的多晶硅層并不容易，而且會產生短路。這會對制造良率產生負面影響，進而影響設備的成本。
其他問題也會降低影像質量，如像素缺陷、柱缺陷、固定圖案噪聲、暗電流和光響應不均勻性。所有這些因素都可能導致器件不穩定。目前，其中一些問題可以得到糾正并從輸出影像中隐藏起來，但考慮到上述所有問題，CCD 的制造良品率不高也就不足為奇了，因此 CCD 是一種相對昂貴的設備。
5.集成
CCD 制造技術的優化主要是為了制造高質量的影像傳感器。CCD 工藝開發的重點是降低暗電流、優化產量和成像性能。CCD 制造配方并不适合集成其他電子元件。飛利浦曾嘗試在 CCD 芯片上實現 CMOS 外圍電路（Theuwissen 等人，1984 年）。然而，一面是 CCD 設計規則，另一面卻是 CMOS 設計規則。CMOS 部分占據了太多的空間，這使得 CCD 芯片變得不必要地龐大，而且（由于 CCD 部分的產量有限）過于昂貴。不過，飛利浦公司的試驗可以看作是首次嘗試制造無需外部外圍驅動電路的獨立相機（Theuwissen 等人，1985 年）。CCD 技術可以被看作是一種為成像而開發和優化的特殊專用技術，巧合的是，該技術還可以用于成像儀讀出部分所需的一些 MOS 晶體管。CIS 的發明在一定程度上是為了解決如何利用主流微電子技術制造優質影像傳感器的問題。
五、互補金屬氧化物半導體影像傳感器（20 世紀 90 年代）
下面讨論 20 世紀 90 年代互補金屬氧化物半導體影像傳感器的發明和發展。
1、簡史
到 1990 年，CCD 已成為幾乎所有相機應用的首選技術。幾乎所有的 CCD 設計和生產都在日本進行，索尼、松下（松下）、東芝、夏普和 NEC 等公司主導着 CCD 技術。非日本公司很少，包括飛利浦、湯姆遜 CSF、柯達和德州儀器。此外，還有一些產量極低的專業公司，如福特航空航天公司、泰克公司、英國電氣閥門公司以及國防和航空航天領網域的其他公司。基于 CCD 的攝影機體積相對較大，耗電量也很大。例如，CCD 攝影機非常笨重，磚塊大小的電池只能使用 30 分鍾左右。天載科學相機只有一個小冰箱大小，質量很大，使用大量的航天器電力資源。
20 世紀 90 年代初，兩項不同的努力促使使用 CMOS 技術平台的非電荷耦合器件影像傳感器再次興起。事實上，這兩項工作在當時可能互不相識。第一項工作涉及創建功能強大的單芯片成像系統，主要關注點是低成本。這項工作起源于兩所不同的大學。在蘇格蘭愛丁堡大學，由 Denyer 和 Renshaw 領導的研究小組最終成立了 VLSI Vision 有限公司（VVL）。(VVL) 公司，該公司基于無源像素架構，為玩具（如芭比娃娃攝像頭和英特爾顯微鏡）和其他應用生產價格低廉、性能較低的單芯片攝像頭。另一個公司是瑞典林雪平大學，該公司衍生出集成視覺產品公司（IVP），主要專注于機器視覺應用。IVP 也采用了無源像素架構，但也使用了首款列并行模數轉換器 (ADC)。VVL 和 IVP 的無源像素方法與 25 年前 Weckler 和 Noble 提出的無源像素方法十分相似，但在技術方面有了更多的創新和改進，例如 CMOS 的發展，在 20 世紀 80 年代取代了 n 溝道金屬氧化物半導體 (nMOS) 技術（Fossum，1997 年）。
2、像素内電荷轉移。
第二項工作源于美國國家航空航天局對高度微型化、低功耗、高性能儀器成像系統的需求，用于下一代星際探索，由美國加州理工學院噴氣推進實驗室（JPL）領導（Fossum，2013a）。這項工作的成果是發明了具有像素内電荷轉移功能的 CMOS 有源像素影像傳感器，其性能與 VVL 和 IVP 的側重點截然相反。
第一個 JPL 設備于 1993 年進行了演示（Mendis 等人，1994 年），并很快集成到一個更大的陣列中（Mendis 等人，1997 年）。JPL 與柯達公司合作開發了一種低電壓 PPD（Lee 等人，1995 年）。該發明以 CCD 的像素元件為基礎，這些元件使 CCD 運行良好，其中包括消除滞後和傳輸噪聲的完全電荷轉移、高量子效率的 PPD、浮動擴散放大器以及 CDS 的啓用。此外，它還增加了額外的電路來抑制固定圖案噪聲，并提供其他降噪功能。從本質上講，像素是一種單級微型 CCD，每個像素包括一個輸出放大器。
與成千上萬級的 CCD 相比，單級 CCD 陣列（每個 CCD 都有自己的輸出放大器）無需 99.9999% CTE 的 CCD 結構。因此，它可以在工作電壓較低的 CMOS 技術平台上實現，并且更容易擴展到更高分辨率的成像和更快的讀出速度。如今，幾乎所有的 CIS 設備都采用了像素内電荷轉移技術。
像素内電荷轉移意味着 CDS 可以用來抑制復位（也稱為 kTC）噪聲，就像在 CCD 中一樣。CMOS 技術平台的使用意味着用于定時、控制、模拟信号處理 (ASP)、ADC 和數字信号處理 (DSP) 的 CMOS 電路的集成相對容易實現和制造（Fossum，1993 年，1997 年）。最初的照相機芯片都是正面發光 (FSI)。這種方法的主要缺點是每個像素内的額外元件意味着實際感光面積比 CCD 小。
不過，與 ILT CCD 一樣，微透鏡有助于提高有效像素填充系數。背面照明也被認為是解決感光面積小問題的一種方法，但在當時，這種方法只用于小批量、高成本的科學 CCD（Fossum，1994 年）。當像素縮小要求像素具有高填充系數以聚集更多光線時，背照式（BSI）CMOS 影像傳感器最終開始大規模生產（Rhodes 等人，2009 年）。
圖 6a 是通用單片式 CIS 的簡化框圖。主要模塊包括：(a) 時序和控制，包括選擇邏輯；(b) 像素陣列；(c) ASP；以及 (d) 模數轉換。未顯示的是 (e)數字信号處理器，包括影像信号處理 (ISP) 模塊，如果作為片上系統，該模塊将位于模數轉換器數字輸出之後。圖 6b 顯示了 JPL 分拆公司 Photobit 生產的早期網絡攝像頭影像傳感器。最新的三維堆疊 BSI CMOS 影像傳感器可能在一個晶圓層上有像素，在另一個晶圓層上有 ASP、ADC 或數字邏輯，每個晶圓層都是用專門的工藝制造的（Oike 2022）。這種包括兩層以上的堆疊将實現 CMOS 影像傳感器的新功能并提高其性能。
圖 6 ：(a) 互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 影像傳感器框圖。(b) 用于網絡攝像頭的早期 Photobit CMOS 影像傳感器芯片照片。(左圖）用于控制和輸入輸出（I/O）功能的數字邏輯。(右上）像素陣列。(右下）列并行模拟信号處理和模數轉換器 (ADC) 電路。照片由 E.R.F. 提供。
3、像素陣列。
多年來，人們探索了許多不同類型的 CIS 像素，但最常用的是像素内電荷轉移的有源像素，它使用 PPD 作為光探測元件（Lee 等人，1995 年；Guidash 等人，1997 年；Inoue 等人，1999 年；Yonemoto 等人，2000 年；Fossum & Hondongwa，2014 年）。由于在一般情況下需要四個晶體管，這種像素通常被稱為 4-T 像素。在相鄰像素之間共享一些晶體管及其功能，可以将每個像素的晶體管平均數量減少到 4 個以下，盡管基本思想保持不變（McGrath 等人，2005 年）。
圖 7a 是 4-T 像素的示意圖。光子撞擊 PPD，產生電子-空穴對。電子被收集到 PPD 的 n 區網域，如圖 7b 所示。讀出時，選擇 (SEL) 晶體管被選中，復位 (RST) 栅極被脈衝重置 n+ 浮擴散 (FD) 檢測節點。然後，源極跟随器 (SF) 檢測 FD 上的電壓，并将其作為復位電壓驅動到 ASP 的列總線上。然後對 TG 進行脈衝，使 PPD 中的所有電子轉移到 FD，并使其電壓降低，降低的幅度與電子數成正比，稱為轉換增益 (CG)，部門為伏特/電子，基本上是感測節點總電容的倒數。FD 上的新電壓由 SF 檢測，并作為信号電壓驅動到列總線上。利用 CDS，復位電壓和信号電壓之間會產生一個電壓差，該電壓差與 PPD 集成的光電子數成正比，FD 復位噪聲、SF 的一些 1/f 噪聲和 SF 的阈值電壓變化都會被抑制。圖 7c 顯示了大部分像素的橫截面示意圖。
圖 7 ：具有像素内電荷轉移功能的 PPD 4-T 有源像素示意圖。(a) 電路原理圖（Fossum 和 Hondongwa，2014 年）。(b) 垂直穿過 PPD 的帶狀圖，顯示光子、電子-空穴對和 SW。(c) 顯示摻雜水平的物理橫截面圖（Fossum 2023）。縮寫：COL BUS，列總線；FD，浮動擴散；PPD，引腳光電二極管；RST，復位栅極；SEL，選擇栅極；SF，源極跟随器；SW，存儲阱；TG，傳輸栅極。
在 FSI 像素中，像素上方的光學元件有助于提高光收集能力并減少串擾（Teranishi 等人，2012 年）。在 BSI 像素中，傳感器硅晶圓安裝在硅載體晶圓上，傳感器晶圓背面經過減薄和抛光處理，厚度小于 10 微米，并進行鈍化和光學特性處理，将像素系數提高到近 100%，以提高量子效率和弱光檢測能力。像素結構的其他部分與上述結構類似，不同之處在于光線從極高填充因子的背面進入，而不是從影像傳感器芯片的正面進入（Wuu 等人，2022 年）。
像素的動态範圍由兩個因素決定：像素的讀出噪聲和像素的最大（線性）電荷存儲容量或讀出容量。以均方根（r.m.s.）值測量的輸入參考讀出噪聲通常為 2-5 e- r.m.s.，該噪聲通常由像素中的可疊加 SF 晶體管噪聲所主導。較高的 CG 值有助于克服 SF 晶體管的疊加噪聲，降低輸入參考讀取噪聲，從而提高微光成像性能（如 Venezia 等人，2018 年）。深亞電子讀取噪聲（或噪聲小于 0.5 e- r.m.s.）有望在幾年内出現在商用器件中，并已在研發中得到證實。
電荷存儲容量取決于 PPD 的物理設計，包括摻雜濃度、工作電壓以及 PPD 的面積和周長。讀出能力也取決于工作電壓和感應節點的電容。通常情況下，電荷存儲容量和讀出容量是匹配的。在通常用于攝影應用的雙 CG 像素中，可以在像素中切換一個明确的額外電容，以增加高于設計的感應節點電容的讀出容量。因此，我們可以選擇（通常為整個像素陣列）CG，以适應弱光條件或較亮的照明條件，并保持良好的信噪比。通過組合不同的積分時間，也可以實現較高的動态範圍（Yadid-Pecht 和 Fossum，1997 年）。
4、模拟信号處理。
ASP 通常執行 CDS 和可編程增益，以提高信噪比。由于電路面積極為有限，在列并聯配置中實現 ASP 極具挑戰性。因此，ASP 基底面的高度增長過快，以彌補寬度過窄的限制。相鄰列之間的一些電路元件共享被用來緩解這些限制。ASP 設計的首要原則是不增加像素的輸入參考讀取噪聲。可編程增益放大器可将信号提升到開關電容電路後續級所引入的噪聲之上，從而幫助實現這一目标。最近，ASP 的某些部分已在 ADC 之後的數字網域中執行（如 CDS 和相關多重采樣）。
5、模數轉換器
圖 6 展示了一種列并行 ADC 架構，與高速全局串行 ADC 相比，該架構的功耗要求更低，因為 n 個 ADC 中每個 ADC 的帶寬都減少了 n 倍，而且考慮到沉澱時間，功耗随 n 倍呈超線性降低（Jansson 等人，1993 年；Zhou 等人，1997 年）。片上 ADC 有許多架構方法，包括全局；列并行（Kawahito 2018）；像素并行（Yang 等人，1999 年；Kleinfelder 等人，2001 年；Sakakibara 等人，2018 年）；以及針對三維堆疊結構的簇并行（Masoodian 等人，2017 年）方法。此外，ADC 的類型可以是算法型的，如 sigma-delta、逐次逼近和循環 ADC，也可以是非算法型的，如單斜率和閃存 ADC；所有這些類型都有各自的權衡（Pain 和 Fossum，1994 年）。
如今，CIS 中的片上 ADC 已相當普遍，但當 JPL 引入現代 CIS 時，源自 CCD 時代的傳統觀點認為片上 ADC 是不可取的，因為會產生額外的功率耗散和發熱，而且可能會将 ADC 的噪聲引入模拟像素讀出中。事實上，考慮到在高頻率下從芯片驅動高保真模拟信号所需的功率，在芯片上進行模數轉換可能具有功率優勢。然而，更重要的是，片上模數轉換器為影像的片上 DSP 以及其他數字降噪技術和影像質量改進打開了大門。與 CCD 相比，由于晶體管工作頻率降低，ASP 和 ADC 的并行性還能降低讀出噪聲。大多數傳感器繼續使用列并行 ADC，單斜率 ADC 因其芯片面積效率高和轉換偽影最少而受到青睐，盡管它們需要最高帶寬的比較器。對于堆疊結構，像素并行和群組并行 ADC 越來越受歡迎。改進片上 ADC 仍是一個活躍的研究領網域。
6、數字信号處理/影像信号處理。
附加的 DSP/ISP 用于執行許多片上功能，包括色彩信号處理（如插值、白平衡），以及根據應用情況執行影像壓縮和信号格式化等功能，以滿足通信标準。其他功能還包括識别人臉或微笑，或确保影像數據的安全。自 CIS 發明以來，為影像捕捉和 ISP 對成像系統進行分區有時會產生雙芯片（或更多芯片）解決方案。由于 ISP 在很大程度上取決于應用，而且視覺科學界對 ISP 有很好的了解，因此本綜述不包括有關 ISP 的其他信息。不過，将數字信息從影像傳感器芯片傳輸到附加處理器，往往是未來成像功能擴展的最嚴重瓶頸之一，尤其是在高分辨率和高幀頻條件下。使用三維堆疊影像傳感器技術和三維互聯技術，将數據從影像傳感器芯片并行傳輸到信号處理芯片，可以在一定程度上緩解這一問題。
二十一世紀的進步
本世紀初，CMOS 影像傳感器因其功耗、尺寸和成本優勢，非常适合新興的大型照相手機和智能手機市場，這推動了 CIS 技術的應用和發展，直至今日。智能手機是 CIS 的殺手級應用，這意味着低功耗和小巧的外形使其成為這種大批量應用的唯一選擇。CIS 的智能手機應用在推動 CIS 發展的同時，也為 CCD 的發展帶來了風口。例如，2015 年，索尼宣布停止 CCD 生產。CCD 繼續用于越來越少的利基應用，在整個影像傳感器市場份額中只占很小一部分。
如今，每年大約生產 50-70 億個 CMOS 影像傳感器；其中大部分用于智能手機，其餘用于汽車、安防、網絡攝像頭、醫療和其他應用。2021 年，美國國家航空航天局（NASA）的 "毅力 "号探測器登陸火星，探測器上搭載了約 20 台 CMOS 攝影機，實現了 NASA JPL 早期開發 CMOS 技術的承諾（Fossum 2023）。
一、制造技術的進步
從現代 CMOS 影像傳感器問世到今天，制造技術的進步進一步提高了 CIS 的性能。
1、大規模生產背照式影像傳感器。
自從移動電話和智能手機安裝了攝像頭之後，對小型、高分辨率攝像頭的需求變得越來越高，因此有必要進一步縮小像素尺寸，在給定鏡頭 F 數的情況下減少像素的集光。為了在不犧牲 PD 面積比的情況下縮小像素尺寸，科學界采用了背面照明技術（Iwabuchi 等人，2006 年；Rhodes 等人，2009 年；Wuu 等人，2009 年）。目前，許多 CMOS 影像傳感器都采用 BSI 方案。圖 8 展示了 FSI 和 BSI 像素截面圖。背面照明的優點是填充因子大，從硅到微透鏡的堆疊高度小，而且可以自由選擇金屬層數和金屬布局。因此，像素的靈敏度大大提高。
圖 8 ：(a) 正面發光像素和 (b) 背面發光（BSI）像素的示例，顯示 BSI 像素具有更好的聚光能力。
BSI 影像傳感器的制作過程如下：(1) 正面處理，包括布線；(2) 通過直接鍵合将晶圓與支撐晶圓鍵合；(3) 薄化傳感器晶圓；(4) 背面處理以抑制暗電流；(5) 抗反射塗層；(6) 彩色濾光片應用；(7) 微型透鏡應用；以及 (8) 鍵合墊開孔。在第二步中，将傳感器晶圓和支撐晶圓壓平并清洗；用等離子體活化表面；最後将兩個晶圓接觸并退火。第三步，在減薄過程的最後階段，為獲得精确和均勻的厚度，采用化學機械抛光。
2、深溝隔離。
目前可能的最小像素尺寸約為 0.5 μm，而具有良好可見光吸收能力的最小實用硅厚度約為 4 μm。因此，像素尺寸與硅厚度的縱橫比高達 8，這就造成了光學串擾和電子擴散串擾。為了減少串擾，人們引入了深溝隔離（DTI）技術（Park 等人，2007 年）。電介質、多晶硅和鎢都可以埋入 DTI 中。電子擴散串擾被 DTI 阻斷。填充金屬的 DTI 能完全抑制光學串擾，而含有電介質和多晶硅的 DTI 則能在一定程度上減少串擾。
DTI 采用博世工藝進行高光譜溝槽蝕刻（Roozeboom 等人，2015 年）。為了抑制來自 DTI 接口的暗電流，采用了三種方法。第一種是通過等離子體摻硼在 DTI 表面形成 p+ 層（Moon 等人，2007 年）。在這種情況下，許多材料都可用作填充物。第二種方法是埋入帶負電的介電材料，從而将空穴吸引到界面上。第三種方法是在表面形成一層薄薄的介電層，作為栅介質，并沉積多晶硅或鎢作為栅極。在多晶硅或金屬上施加負偏壓以積聚空穴（Kitamura 等人，2012 年；Ahn 等人，2014 年）。
3、三維堆疊技術。
三維堆疊技術可将包括影像處理在内的功能集成到 CMOS 影像傳感器中，從而實現小型、高性能的智能相機。邏輯電路晶圓是一種銅-銅混合晶圓，粘合在影像傳感器晶圓上（Sukegawa 等人，2013 年；Oike，2022 年）（圖 9）。兩個晶圓通過 SiO2-SiO2 和 Cu-Cu 進行物理粘合，并在外圍區網域和/或像素區網域進行電氣連接（Kagawa 等人，2016 年）。邏輯晶圓采用适當的精細工藝技術，以實現各種功能的高速運行和低功耗耗散。利用硅通孔實現晶圓之間的電氣連接，開發出了由影像傳感器晶圓、動态随機存取存儲器（DRAM）晶圓和邏輯晶圓組成的三層堆棧（Haruta 等人，2017 年）。DRAM 以較大的帶寬連接到邏輯晶圓中的影像處理器。
圖 9 ：(a) 背面發光器件和 (b) 三維堆疊影像傳感器（下層用于附加電路）的橫截面對比示意圖。
二、特定應用領網域的進步
現代固态影像傳感器的潛在應用似乎無窮無盡。時至今日，幾乎每天都有新的應用出現。雖然移動成像在很大程度上推動了 CIS 業務技術的發展，但有幾種特定應用需要采用與移動成像傳感器不同的專用設計、布局或制造技術。本節将讨論其中幾種應用。
1、汽車高動态範圍。
從商業角度看，汽車行業是 CIS 系統最有前途的新興市場之一。雖然某些性能參數與汽車應用無關，但高動态範圍是一個關鍵要求。消費類設備在沒有特殊考慮的情況下，動态範圍可達 80-90 dB，但汽車成像要求動态範圍至少達到 120 dB。技術文獻中報道了幾種提高 CIS 動态範圍的技術，但其中一些技術會產生運動偽影，而自動駕駛汽車需要避免這種偽影。
汽車領網域的另一個重要問題是要求成像部件對汽車和交通标志光源中的 LED 閃爍不敏感。要減緩 LED 閃爍，需要采用復雜的方法（Takayanagi 和 Kuroda，2012 年）。
意法半導體（ST Microelectronics）發布了一款可應對 LED 閃爍的影像傳感器（Tournier 等人，2018 年），該傳感器可產生無運動偽影的寬動态範圍輸出信号。該器件使用兩個具有斬波曝光的 PD。第一個 PD 使用多次長時間曝光，光產生的電荷累積在第一個存儲電容器上。第二個光電轉換器利用多次較短的曝光時間，将光生電荷累積到第二個存儲電容器上。多次長曝光時間和多次短曝光時間交錯進行，因此最終結果是兩者的組合。這種組合的特點是動态範圍寬，沒有運動偽影，也沒有 LED 閃爍問題。
2、醫用和膠囊内窺鏡。
内窺鏡的一個典型要求是外形小巧，因為攝像頭需要穿過人體的微小開口。通過将電子電路擴展集成到一塊硅片上，并盡量減少芯片外部的引線數量，就能實現小尺寸影像傳感器。在這類應用中，需要不超過四個 I/O 引腳的器件。這些設備在 CCD 時代就有了，但用于驅動和讀出 CCD 的完整外圍電路并沒有集成在芯片上，而是位于人體外部并通過導線連接。
在膠囊内窺鏡檢查的極端情況下，藥丸相機被病人吞下并通過完整的胃腸道（Iddan 和 Swain，2003 年）。這就意味着，膠囊内不僅要有帶 ISP 的傳感器，還要有鏡頭、光源、電池和射頻傳輸電子元件（每 8 秒向外界傳輸一幀影像）。此外，整個系統還必須能夠使用自帶的小型電池工作多個小時。Photobit 公司開發并生產了一種定制的超低功耗 CIS。這是使用與其他 CMOS 電子元件集成在一起的 CMOS 影像傳感器實現微型化的一個極端而重要的例子。
3、高速度。
片上集成與堆疊技術相結合，非常适合高速應用，因為可以并行處理和處理信号。例如，将全局 ADC 轉換為列級 ADC 可以提高影像傳感器的最大幀頻，因為列級轉換的并行性減少了串行全局 ADC 的耗時轉換。需要注意的是，一個 ADC 也可以服務于多個列（Chen 等人，1990 年）。從列級 ADC 轉換為像素級 ADC 可以進一步提高設備的最大幀頻（Kleinfelder 等人，2001 年）。就速度而言，ADC 的轉換時間可能是一個限制因素，除此之外，另一個非常重要的時間限制因素是将所有生成的比特都置于片外。同時輸出多個像素的數字代碼需要并行處理。這将增加設備封裝上的引腳數量，并相應增加封裝成本。在某些情況下，封裝成本可能高于裸芯片的成本。
通過以上讨論，我們可以得出這樣的結論：像素級 ADC 是高速影像傳感器的首選。然而，在每個像素中都安裝 ADC 會大大降低像素的填充系數。這個問題可以通過改用堆疊式解決方案來解決；頂層包含影像傳感部分，底層包含 ADC（Takahashi 等人，2018 年）。采用專門的三維堆疊結構，影像傳感器的性能已超過 100-Mfps（連拍模式）（Kuroda 等人，2019 年）。
4、科學成像
科學成像領網域極為廣泛，包括許多細分市場，如太空應用、天文成像、高能粒子探測以及掃描和透射電子束顯微鏡應用（SEM 和 TEM）的電子探測。在所有這些應用中起重要作用的一個共同參數是對低噪聲性能的嚴格要求。噪聲不僅決定了影像傳感器的信噪比和動态範圍，還決定了為獲得可接受的輸出結果所需的最小輸入信号。
降噪研究從第一台 CCD 制造出來的那一刻起就開始了，至今仍是 CIS 界的熱門話題。除了在生產過程中引入新的步驟（如優化氧化過程、暗電流降低步驟），像素的設計和布局（如 PPD、垂直 TG、鈍化層）以及模拟電路（如電荷網域 CDS、相關多重采樣）也受到了廣泛關注（Chen 等人，2012 年；Ge & Theuwissen，2017 年）。一旦讀取噪聲水平達到 0.3 e- r.m.s.，甚至低至 0.15 e- r.m.s.，就能以良好或極高的精度确定電子數（Teranishi，2012 年；Fossum，2013 年 b）。在 CMOS 影像傳感器的早期，40 e- r.m.s. 的噪聲水平并不少見。如今，室温操作下的平均讀取噪聲值已低于 0.20 e- r.m.s.（Ma 等人，2021a, 2022a），從而實現了超低照度成像應用。
5、動态視覺傳感器。
在機器視覺視頻應用中，在部門時間内會捕獲大量影像。在許多情況下，這些影像包含的大量信息在不同影像之間不會發生變化。然而，無論影像内容如何，傳感器生成的每一幀影像都需要讀出。在動态視覺傳感器（DVS）中，幀與幀之間冗餘信息的存在被用來加快設備運行速度和/或減少輸出數據量。DVS 的概念相對簡單：設備的輸出只顯示兩幅連續影像之間的變化（Dickinson 等人，1995 年；Delbrück 等人，2010 年）。每個像素都會捕捉曝光時間内的信息，并将結果與上一次曝光時間内獲得的輸出進行比較。如果兩個連續曝光時間之間沒有變化，則像素不會發送任何信息。如果連續兩幅影像之間存在差異（超過特定阈值），像素就會開始工作，并報告其位置、發現差異的時間，以及兩幅影像之間的差異是正（信号增加）還是負（信号減少）。換句話説，像素檢測的是幀與幀之間對比度的變化。大多數情況下，使用的是對數響應的像素。
DVS 的輸出不是一張好看的影像，而是一個數字信息流，顯示在哪個位置和哪個時間點觀察到光強的負或正變化。最近的趨勢是将 DVS 與标準 RGB CMOS 傳感器相結合；DVS 設備的輸出可用于糾正 RGB 數據中的運動偽影（Guo 等人，2023 年；Kodama 等人，2023 年）。
6、間接飛行時間測距影像傳感器。
間接飛行時間（iToF）影像傳感器用于通過二維成像系統測量三維尺寸（或距離）。光源發出近紅外光脈衝（如占空比為 50%），傳感器試圖檢測光脈衝在物體上反射後返回的光信号。攝影機與物體之間的距離可以通過簡單的計算得出。計算方法基于光源開啓階段傳感器檢測到的光量測量值與光源關閉階段傳感器檢測到的光量測量值之間的比率（Kim 等人，2010 年）。相機與物體之間的距離越短，在光源開啓階段收集到的信号就越多。攝影機與物體之間的距離越長，在關斷階段收集到的信号就越多。由于光速非常快，因此像素在 "開 "和 "關 "階段之間的切換也需要很快。像素的曝光時間為納秒級。由于在如此短的曝光時間内收集到的信号非常小，因此像素中會累積多個測量值，并存儲在像素内的電容器中（Kawahito，2021 年）。
iToF 像素的工作模式要求高速收集光生電子，并超快地将電荷包從 PPD 傳輸到存儲節點。要在數百兆赫茲的調制頻率下運行這些像素，額外的漂移場（通過巧妙的設計和布局產生）是絕對必要的（Xu 等人，2016 年）。
三、量子影像傳感器
2005 年，有人提出了一種不同的影像傳感器方法，即由大量以高幀頻運行的專用微小像素（稱為 jots）對單光子進行檢測和計數（Fossum，2005 年）。1 檢測基本上是二進制的：0 表示沒有光子，1 表示有光子。多幀二進制數據可用來再現灰度影像，如圖 10 所示。單光子靈敏度意味着可以在最暗的光線下成像。這一概念最初被稱為數字薄膜傳感器，後來更名為量子影像傳感器（QIS），并擴展到多比特操作（Fossum 等人，2016 年）。
圖 10 ：量子影像傳感器概念圖，顯示了點陣輸出的空間分布（左圖）、不同時間片的點陣輸出位平面展開圖（中圖）以及由點陣時空鄰網域形成的灰度影像像素（右圖）。圖改編自 Ma 等人（2022a）。
1、利用單光子雪崩探測器實現量子影像傳感器。
單光子雪崩探測器（SPAD）裝置由于利用高電場和撞擊電離獲得載流子，因此對單光子非常敏感。利用 SPAD 陣列，研究小組已開始展示 QIS 概念并證明成像特征模型（Dutton 等人，2015 年）。2021 年，首次報道了像素間距為 6.4μm 的 3.2-Mpixel SPAD 陣列（Morimoto 等人，2021 年）。由于 SPAD 依靠雪崩倍增獲得信号增益，因此需要較高的内部電場和相對較大的像素間距來确保隔離，而且通常還可能具有較高的暗計數率（暗電流）。盡管存在這些問題，但 SPAD 已被證明對 3D 成像等快速光子到達定時應用非常有用。SPAD 技術還利用了 CMOS 影像傳感器的技術，如三維堆疊（Ito 等，2020 年）和低暗電流結構。
2、互補金屬氧化物半導體量子影像傳感器。
實現 CMOS QIS 的工作始于 2012 年的達特茅斯大學。當時，由于 SPAD 像素非常大、需要高電壓和高暗電流率，因此 SPAD 方法被否決。這種方法不使用雪崩增益來檢測單個光電子，而是通過使用很小的感應節點電容來獲得增益，從而產生 300-500 μV/e- 範圍内的 CG。通過像素内電荷轉移，轉移到該電容上的單個電子可產生遠高于輸入參考本底噪聲（例如 0.2 e- r.m.s. 本底噪聲）的可辨信号，因此單個光電子的檢測誤差率較低。檢測過程比 SPAD 慢，但可以實現亞微秒級定時。由于 CMOS QIS 不需要 SPAD 的高電場，因此可以實現更小的像素或點陣，并提高了可制造性，從而降低了部門像素的成本和光學器件的體積。功率耗散也大大降低。圖 11 展示了泵栅點器件。圖 12 展示了室温光電子數分辨率的實驗驗證。
圖 11 ：具有超低感測節點電容的泵栅 jot 器件。(a) BSI 像素的橫截面。(b) 沿像素内電荷轉移路徑的靜電勢。面板改編自 Ma & Fossum (2015)。縮寫：BSI，背面發光；FD，浮動擴散；PB，p 型體硅；PW，p 型阱；SW，存儲阱；TG，轉移栅；VB，虛拟勢壘。
圖 12 ：測量到的光子計數直方圖（出現次數與歸一化讀出電壓的關系），顯示出明顯的光電子量化。峰高對應于平均光電子到達率 H 為 2.1 e-/樣品的泊松分布，峰寬則與殘餘讀出噪聲有關。圖改編自 Ma 等人（2017）。
2017 年，達特茅斯大學報告了一款室温下的 1-Mpixel QIS 器件，該器件采用近乎标準的 BSI CIS 3D 疊層工藝實現，像素間距為 1.1μm，工作頻率為 1,000 fps，總功耗約為 20 mW（Ma 等人，2017 年）。1-Mpixel QIS 的展示比第一個 1-Mpixel SPAD 陣列早兩年多，像素也小得多。大約 34 個 1.1μm 像素的 CMOS QIS 可容納一個 6.4μm 像素的 SPAD。最近，采用 QIS 光子計數技術的 CMOS 影像傳感器實現了高動态範圍和 163-M 像素分辨率（Ma 等，2021b；2022b）。目前正在探索 QIS 技術的應用，包括用于安全、國防、科學和其他應用的低照度成像。CIS QIS 技術和 SPAD QIS 技術都占據了重要的應用領網域（Ma 等人，2022a），并激發了低照度影像和視頻捕捉領網域的計算成像研究（如 ICCP 2023）。
四、固态影像傳感器的新領網域
在本節中，我們将讨論一些引起影像傳感器界興趣的新興技術。
三維堆疊技術提高了傳感器的集成度，實現了高密度焦平面影像處理，提高了吞吐量，同時降低了系統功耗（Fossum，1989 年）。能以大規模并行方式進行的計算可能會從三維堆疊中獲益最多，而考慮到連接性，本地影像處理可能比全局影像處理獲益更多。目前正在利用三維堆疊技術探索具有邊緣計算功能的智能相機（Eki 等，2021 年）。
光子計數影像傳感器在過去五年中發展迅速，并實現了新的應用。這項技術很可能在不久的将來成為主流 CIS 技術的一部分，從而實現更大的動态範圍和弱光成像的終極性能，特别是與計算成像相結合時（Ma 等，2022b）。
超大尺寸視頻影像傳感器仍在為專業市場而開發。例如，在拉斯維加斯的 Sphere 沉浸式影院中就使用了一個 316-Mpixel 120-fps 的傳感器（Agarwal 等，2023 年）。
最近，硅讀出集成電路上的薄膜晶體管影像傳感器與量子點光電探測器相結合，提高了成像性能。這些傳感器在短波和近紅外波段的響應速度也比硅探測器更好（Kim 等人，2023 年）。
影像認證是一個日益受到關注的領網域，尤其是當社會進入一個利用人工智能技術輕松生成逼真但虛假影像的時代。人們正在探索更安全的方法來确保原始影像數據的完整性（Mansoorian & Fossum 2002，Fowler 等人，2023 年）。
在光學方面，随着所謂的完美色彩路由器（Catrysse 等，2022 年）的開發，從拜耳紅、綠、藍、綠（RGBG）色彩濾鏡内核到接收每個像素點的 R、G、B 信号（從而避免色彩混疊問題，這是影像傳感器界長期以來的夢想）的可能性似乎正在接近現實。金屬透鏡及其片上集成的相關發展可能會簡化相機設計，并減小相機的尺寸和重量（Khorasaninejad 和 Capasso，2017 年）。
結論
固态影像傳感器不斷發展，在我們的日常生活中無處不在。不僅個人可以與家人和朋友一起欣賞照片和視頻，而且每個人都可以在社交媒體上看到它們。這影響了市場、文化、教育甚至政治。在機器視覺、無人機、條碼閲讀器、生物識别和手勢識别等領網域，計算機而非人類看到影像的市場也在不斷增長。有些應用需要檢測 X 射線、紅外線和帶電粒子。此外，測距、偏振和相位（波前）成像能力的不斷提高也帶來了新的應用。
就像眾所周知的雙刃劍一樣，影像傳感器技術的發展也帶來了新的社會問題，而不僅僅是顯而易見的社交媒體問題。這些問題包括：利用攝像頭為犯罪活動提供便利（如偷窺、非法錄像、身份盜竊）；侵犯隐私權，包括專制政府機構的自動面部識别和跟蹤；以及剝削未成年人和分享非法色情圖片。對于一項旨在以光明和真理造福個人福祉和整個社會的技術而言，我們還必須估計和控制劍的黑暗邊緣，這确實令人遺憾。
原文鏈接
https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-vision-101322-105538
本文來自微信公眾号"半導體行業觀察"（ID：icbank），作者：Fossum等，36氪經授權發布。
