顶点光电子商城2022年8月29消息：作为电子设备的“眼睛”，图像传感器近年来成为市场瞩目的焦点，成为半导体行业炙手可热的一大领域。目前，CCD图像传感器和CMOS图像传感器(CIS)是被普遍采用的两种图像传感器。

       固态高灵敏图像传感器，尤其是科学级CMOS图像传感器，凭借其体积小、集成度高及功耗低等优势，在空间高灵敏成像领域的应用中异军突起。尽管科学级CMOS图像传感器可以实现低照度高灵敏成像，但还远未达到单光子探测的辐射分辨能力。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。

       量子CMOS图像传感器的出现，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，对于拓宽空间遥感高灵敏成像应用领域、提升相应的应用水平具有十分重要的意义。

       QIS之所以称为量子图像传感器，是因为其像素阵列可以在极短的时间里生成Bit图像。量子图像传感利用创新的半导体仪器设计在每个像素元件中实现了极小的输出电容，从而极大地放大了每个光子产生的电信号。由于这种极高的信号放大率，与CMOS传感器相比，量子图像传感器的相对噪声降低了5到10倍，从而在室温条件下实现了准确的单光子探测和光子数分辨。

       近期，美国Gigajot Technology公司的研究人员在Scientific Reports上发表了一篇论文，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。这是具有光子数分辨能力的低噪声图像传感器中有史以来最高的像素分辨率。

       该传感器在台积电完成设计和制造，采用45 nm/65 nm堆叠背照式（stacked BSI）CMOS图像传感器工艺。可以在单个设备中实现可靠的光子数分辨和高动态范围成像。该QIS采用最先进的CMOS工艺制造，具有2层晶圆堆叠和背面照明。在室温操作下，平均读取噪声为0.35 e-rms，证明了可靠的光子数分辨，从而实现业界领先的低光成像性能。此外，由于极低的本底噪声和20k e-的扩展满井容量，可实现95 dB的动态范围。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。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），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传感器架构示意图

       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。

        量子CMOS图像传感器的未来发展趋势将向更高分辨率推进，更灵活的智能化成像模式。随着航天遥感等应用层次的不断深入以及应用领域的不断拓展，甚高灵敏图像传感器的应用需求也将越来越广泛。量子CMOS图像传感器因其优异的超低噪声性能，还可以应用到星敏传感器设计、系外行星探测等领域。可以预见，随着量子CMOS图像传感器技术的进一步发展，势必在更多领域得到更加广泛的推广和应用。