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影像传感器(二):技术与产业篇

工控/安控与自驾车市场是整体CIS市场成长最主要的驱动力。Sony

CMOS影像传感器(CIS)的制程与DRAM有些相似,都是金属层较少、对电荷敏感的阵列结构。阵列中像素越多,图像的分辨率越高。目前三星电子(Samsung Electronics)已做到上亿像素,所以制程微缩一直是竞争的主轴之一,但是只是之一。

每个入射的光子能产生的电子-电洞对数目有限(这比例叫量子效率;quantum efficiency),所以要增强图像的信号,除了前述的3~6个CMOS中已经包含了信号放大器外,就是增加光电二极管的曝光面积,以增加信号强度,但是制程微缩拿走了宝贵的面积。这与DRAM中的电容在制程微缩的过程中所遇到的两难问题类似-制程微缩逐渐剥夺储存电荷所需的电容面积,储存电荷降低进而降低了0/1状态的信号强度。光学加诸於结构单元的限制较之於电容加诸於存储器单元结构的要求严苛的多。电容在制程微缩之後还可以向上长以维持电容面积大致不变,CIS只能在结构尽其所能的收集光,以及増加光电转换效率。是以DRAM的制程推进虽然艰难,但是目前也到达1a节点(约14nm),而CIS最精细的制程犹滞留在40nm,正待向28nm出发。

因为制程相似却落後於DRAM,CIS曾经被DRAM公司当成产品雁行梯队的次时代产品;晶圆厂在生产完先进时代DRAM、设备折旧完後,略加改装又可重披战袍生产最先进时代的CIS。过去的美光(Micron)这样做,现在的三星和SK海力士(SK Hynix)也这样做。

一个降低制程微缩带来受光面积减少冲击的方法是提高充填因子(filling factor),意义是每个CIS单元中实际於用受光的面积,这与增加DRAM的单元效率(cell efficiency;芯片上实际用於记忆功能的面积比例)有异曲同功之妙。这是CIS产品重要的性能参数之一。

紧密的阵列排列是能提高像素的原因之一,然而紧密的排列容易造成邻近的单元信号串扰(cross talk),所以单元之间要有隔绝的手段,深沟隔绝(deep trench isolation)是现在常用的手段。但是噪音的来源可不只是隔壁单元。即使在完全无入射光的状况下,也可能有其他原因诱发的电流,叫暗电流(dark current),这个需要在制程和结构下工夫。讯噪比(signal-to-noise ratio)是另一个重要的性能指标。

动态范围(dynamical range)也是一个性能指标。CIS在太亮或太暗的状况下会完全失去图像解析能力,最高和最低照度中间的工作区就叫做动态范围。寛广的动态区间显然是较好的性能。要扩大动态范围,除了在元件物理上下工夫外,另外要靠ISP拼凑各个小的标凖动态区间,形成较寛广的动态区间。

低光表现(low light performance)是另一个指标,特别在工控、安控和自驾车领域的应用。当高像素的制程不断推进、像素大小低於0.7、0.6µm,但是需要在低光环境下有高灵敏度的CIS仍然停留在以0.13µm制程制作、3.0µm像素大小的范围。推到极致,单光子雪崩二级体(SPAD;Single Photon Avalanche Diode)也开始派上用场。这个元件可以侦测单一光子,用途之一是用於以光子的飞行时间(ToF;Time of Flight)协助3D成像,提供自驾车的判断。另一个用途更时髦,用於以光子为量子位元之量子计算机来测量单光子量子状态。

CIS产业与DRAM产业最大的不同是没有产业的产品标凖,如DDR4或DDR5,所以竞争的不只是价格。虽然手机占了近2/3市场,但这个市场相对比较红海,排名第2、第3的工控/安控与自驾车市场却是整体市场成长最主要的驱动力。另外的市场就更细碎了,容许小厂家寻覍个别小生态区存活。虽然Sony及三星市场占比加起来近7成,但是产能不过十万片出头,这与其他次产业的绝对寡占有所不同。另外,光学的性质在这领域的重要性不亚於矽基的电子元件,新物质的发现和采用很可能改变市场秩序和竞争要素。前一阵子清华大学以二维材料二硫化钼(MoS2)做光受体的硏究就受到广泛的注意。

这是个还算年轻的产业和市场,容许小的後起创新者加入。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教於中央大学,後转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾於 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在於台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。