CMOS图像传感器发展现状

第20卷第1期半　导　体　光　电V ol.20No.1 1999年2月Semiconductor Optoelectronics Feb.1999

CMOS图像传感器发展现状①

赵文伯　刘俊刚

(重庆光电技术研究所,重庆400060)

摘　要:　文章主要介绍了CMOS图像传感器的结构、单元电路、发展背景及其发展现状。

关键词:　CMOS　图像传感器　有源像素传感器

中图法分类号:　TP732

R ecent progress in research on CMOS im age sensor

ZHAO Wenbo L IU J ungang

(Chongqing Optoelectronics R esearch I nstitute,Chongqing400060,CHN)

Abstract:　The current architecture of CMOS sensor and circuits for pixels are described.The historical background and recent development tendency in this field are presented.

K eyw ords:　CMOS,Image Sensor,Active Pixel Sensor

1　引言

70年代初期,随着MOS技术的成熟,三种典型的固体图像传感———电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、光敏二极管阵列(PDA)得到了发展。到80年代中期,基于这三种固体图像传感器技术的摄像机逐渐投放市场。在这三种固体图像传感器中,CCD发展最为迅速。到90年代初,CCD技术已比较成熟,在微光下,具有每个像元几个电子的成像能力,且CCD技术已得到非常广泛的应用。目前出售的每种摄录机和PC相机都是基于CCD技术。

随着CCD应用范围的扩大,其缺点逐渐显露出来。CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成,不易处理一些模拟和数字功能,这些功能包括模/数转换器、精密放大器、存贮器、运算单元等元件的功能;CCD阵列驱动脉冲复杂,需要使用相对高的工作电压,不能与深亚微米超大规模集成(VL SI)技术兼容。为此,人们又开发了另外几种固体图像传感器技术,其中,最引人注目最有发展潜力的是采用标准的CMOS技术来生产图像传感器,即CMOS图像传感器。

到80年代中期,CMOS技术逐渐成熟。90年代初期,可为数字系统设计百万个或更多晶体管。采用标准CMOS技术生产实用像元尺寸质量高的固体图像传感器已成为可能。已能够制作出尺寸比可见光波长小的CMOS晶体管结构,可以在一个像元内集成多个晶体管。采用CMOS技术可以将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起,可以实现单芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作,仅消耗几十毫瓦的功率[1]。

本文将介绍CMOS图像传感器的历史背景,描述其基本结构,像元电路及其发展现状。

2　历史背景

CMOS图像传感器能够快速发展,一是基于CMOS技术的成熟,二是得益于固体图像传感器技术的研究成果。到1997年,已有采用0.15μm设计规则,试制成功了集成度高达8.8×109个元件的集成电路的报道[2],实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35μm。

①1998-07-13收稿;1998-10-10定稿

在CMOS图像传感器和CCD像感器诞生之前,已经有MOS像感器了。60年代,有许多研究机构采用NMOS,PMOS或双极工艺技术研究固体图像传感器,并取得了不同程度的成功。1963年, Morrison报道了一种用光导效应测定光斑位置的结构。1964年,IBM报道了通过一个电阻网络寻址的n-p-n结阵列扫描器,这种扫描器产生与入射光强成比例的输出脉冲。1966年,西屋公司报道了一个(50×50)元的单片式光敏晶体管阵列。以上这些传感器都产生与瞬间入射光强成比例的信号,不能输出任何有意义的积分光生信号。结果这些器件的灵敏度低,像元内需要有信号增益。

1967年,仙童公司的Weckler提出了以光子通量积分模式工作的p-n结,光电流收集在反向偏置的p-n结电容中,并提出了采用PMOS开关读出积分电荷的方法。1968年,仙童首次报道了(100×100)元的光敏二极管阵列。

也是在1967年,RCA报道了(180×180)元的CdS/CdSe薄膜晶体管(TF T)和光敏电阻阵列,这种阵列包含有以顺序寻址像元的自扫描互补逻辑电路。还首次报道了电池驱动的无线摄像机,这种摄像机研制出来证明了自扫描图像传感器阵列的功能。

1968年,英国Plessey的Noble在一篇文章中描述了几种自扫描硅图像传感器阵列结构,描述了表面光敏二极管和埋沟道光敏二极管,讨论了用于读出的电荷积分放大器,还报道了首次用于像元内信号读出缓冲的MOS源跟随晶体管。1969年, Chamberlain描述了改进的图像传感器模式和传感器工作方式。1970年,Fry Noble和Ryceoft在一篇文章中探讨了固定图形噪声(FPN)。直到目前,固定图形噪声仍被看作是MOS和CMOS像感器的主要问题。

1970年,CCD像感器诞生。它的固定图形噪声基本可以忽略,这是CCD在多种固体图像传感器中被广泛采用的主要原因之一。

70年代和80年代,当人们热衷于发展CCD的同时,仅有日立、三菱等几个研究机构从事MOS图像传感器的研究。日立公司开发了三代MOS像感器,并率先推出了基于MOS像感器技术的摄录机。后来,也许是残余的热噪声的原因,日立最终放弃了在MOS像感器方面的努力。

80年代后期,当CCD在可见光成像方面唱主角的时候,混合式红外焦平面阵列和高能物理粒子/光子极点探测器,却避免使用CCD。混合式红外焦平面阵列后来多采用CMOS多路传输器作为信号读出电路。

进入90年代,由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加,关于CMOS图像传感器的研究工作开始活跃起来。苏格兰爱丁堡大学和瑞典Linkoping大学的研究人员分别进行了低成本的单芯片成像系统开发,喷气推进实验室(J PL)研究开发的高性能成像系统,其目标是满足NASA对高度小型化、低功耗成像系统的需要。他们在CMOS 图像传感器研究方面取得了令人满意的结果,并推动了CMOS图像传感器的快速发展[3]。近来, CMOS图像传感器已成为固体图像传感器研究开发热点。

3　总体结构

CMOS图像传感器的总体结构框图如图1。它们一般由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路,在片模拟信号处理器(ASP)构成。更高级的CMOS图像传感器还集成有在片模/数转换器(ADC)

。

图1　CMOS图像传感器总体结构

Fig.1　The overall architecture of a CMOS image sensor

CMOS图像传感器的光敏单元有无源像素结构和有源像素结构两大类。后者主要有光敏二极管型和光栅型两种,其他特殊结构还有对数传输型、钉扎光敏二极管型、浮栅放大器型等。行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器,或是译码器。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样、双Δ取样等功能。在片模拟/数字转换器是在片数字成像系统所必需的,CMOS图像传感器可以是整个成像阵列有一个ADC或几个ADC(每种一个颜色),也可以是成像阵

21 半　导　体　光　电 1999年2月

列每列各有一个ADC。

CMOS图像传感器图像信号有几种读出模式。整个阵列逐行扫描读出是一种普通的读出模式。窗口读出模式仅读出感兴趣窗口内像元的图像信息,这种读出模式增加了感兴趣窗口内信号的读出率。跳跃读出模式每隔一个(或两个或更多)像元读出,这种读出模式用降低分辨率为代价,允许图像取样,以增加读出速率。跳跃读出模式与窗口读出模式结合,可实现电子全景摄像、倾斜摄像和可变焦摄像。

4　像元电路

CMOS图像传感器像元电路分为无源像素传感器(PPS)和有源像素传感器(APS)。APS引入一个有源放大器。CMOS图像传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构和光栅型有源像素结构。

4.1　无源像素结构

光敏二极管型无源像素结构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化。无源像素结构如图2,它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启,光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数,并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正

比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出

。

图2　光敏二极管型无源像素结构图

Fig.2　Schematic diagram of the photodiode-type passive pixel

单管的光敏二极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有最高的设计填充系数;或者在给定的设计填充系数下,可以设计出最小的像元尺寸。另外一个开关管也可以采用,以实现二维的X-Y寻址。由于填充系数高和没有许多CCD中的多晶硅叠层,无源像素结构量子效率较高。但是,由于传输线电容较大,CMOS无源像素传感器读出噪声较高,典型值为250个均方根电子,这是其致命的弱点。4.2　有源像素结构

几乎在无源像素结构发明的同时,人们很快认识到在像元内引入缓冲器或放大器可以改善像元的性能。像元内有有源放大器的传感器称有源像素传感。由于每个放大器仅在读出期间被激发,所以CMOS有源像素传感器的功耗比CCD的还小。具有优异性能的非CMOS有源像素传感器也得到发展,例如电荷调制器件(CMD),已发展到(2048×2048)元的规模,但这些器件需要特殊的生产工艺。

与无源像素结构相比,有源像素结构的填充系数小,其设计填充系数典型值为20%～30%,接近于内线转移CCD的。

4.2.1　光敏二极管型有源像素结构

1968年,Noble描述了光敏二极管型有源像素传感器(PD-APS)。后来,这种像素结构有所改进。

光敏二极管型有源像素结构如图3。

图3　光敏二极管型有源像素结构图

Fig.3　Schematic diagram of the photodiode-type active pixel sensor

高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室在1995年首先研制成功,像元数为(128×128)元,具有在片定时和控制、相关双取样和双Δ取样电路,采用1.2μm CMOS n阱工艺试制。器件动态范围达到了72dB,固定图形噪声小于0.15%饱和信号水平[4]。1997年,东芝研制成功了(640×480)元光敏二极管型APS,其像元尺寸为5.6μm×5.6μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列[3]。同年, VL SI影像公司研制成功了用于静态摄像的(800×1000)元CMOS光敏二极管型APS[3]。

因为光敏面没有多晶硅叠层,光敏二极管型APS量子效率较高,它的读出噪声由复位噪声限制,典型值为(75～100)个均方根电子。光敏二极管型有源像素每个像元采用三个晶体管,典型的像元间距为15×最小特征尺寸[3]。CMOS光敏二极管型APS适宜于大多数中低性能应用。

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第20卷第1期 赵文伯等:　CMOS图像传感器发展现状

4.2.2　光栅型有源像素结构

光栅型有源像素传感器(P G-APS)在1993年由喷气推进实验室最早研究成功并用于高性能科学成像和低光照成像。光栅型有源像素传感器结合了

CCD和X-Y寻址的优点,其结构图如4

。

图4　光栅型有源像素结构图

Fig.4　Schematic diagram of photogate-type APS pixel

光生信号电荷积分在光栅(P G)下,输出前,浮置扩散节点(A)复位(电压为V DD),然后改变光栅脉冲,收集在光栅下的信号电荷转移到扩散节点。复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号。

当采用双层多晶硅工艺时,光栅与转移栅(TX)之间要恰当交叠。在光栅与转移栅之间插入扩散桥,可以采用单层多晶硅工艺,这种扩散桥要引起大约100个电子的拖影。1996年,喷气推进实验室研制成功了(256×256)元光栅型CMOS APS,像元尺寸20.4μm,采用1.2μm单层多晶硅n阱工艺,集成有相关双取样和双Δ取样电路,读出噪声为13个均方根电子,暗电流密度为500pA/cm2[5]。(1024×1024)元光栅型CMOS APS已由喷气推进实验室和A T&T联合研制成功,像元间距10μm,采用0.5μm工艺技术[3]。

光栅型APS每个像元采用5个晶体管,典型的像元间距为20×最小特征尺寸。采用0.25μm工艺将允许达到5μm的像元间距。浮置扩散电容典型值为10f F量级,产生20μV/e-的增益,读出噪声一般为(10～20)个均方根电子,已有读出噪声为5个均方根电子的报道[3]。

4.2.3　其他像素结构

在有些情况下,传感器非线性输出是人们所希望的。当光信号被压缩时,非线性输出可以增大内景动态范围。对数传输是一种压缩方式,其像元输出的电信号与光信号的对数成比例。对数传输像元是非积分方式像元,它允许在时间和空间两方面都

可以随机读出。(2048×2048)元CMOS对数像素图像传感器在1996年由Danny Scheffer等人研制成功,像元间距7.5μm,采用0.5μm CMOS工艺[6]。

钉扎光敏二极管型像素是为内线转移CCD发展的,具有量子效率高、暗电流小和读出噪声低等特点。喷气推进实验室和柯达公司把钉扎光敏二极管与CMOS APS结合起来,获得了高性能的图像传感器。具有浮栅传感放大器的光栅型CMOS APS由喷气推进实验室研制开发,片上集成有列平行ADC。具有简单结构的浮栅像元CMOS APS由喷气推进实验室与奥林巴斯合作开发。

5　发展现状

研究开发CMOS图像传感器的机构有很多,其中,以喷气推进实验室空间微电子技术中心的研究报道最多。目前,很多研究机构主要在开发CMOS APS,有的已在传感器阵列上集成了模/数转换器。各研究机构大多采用单层多晶硅双层金属布线n阱工艺,有的已采用0.5μm工艺技术,光敏二极管以n阱工艺p/p+外延衬底上制作的n+p二极管效果最好。已证明CMOS APS的噪声水平、量子效率、动态范围可与CCD的相比拟。

部分CMOS APS的发展状况见表1。

6　发展趋势

CMOS图像传感器的前途是光明的。随着多媒体、数字电视、可视通信等市场的增加,CMOS图像传感器应用前景更加广阔。在实现小单元尺寸方面,CMOS图像传感器取得了快速的进步,已有5.6μm×5.6μm单元尺寸的报道。当采用0.25μm特征尺寸的工艺技术,将生产出高性能的CMOS图像传感器。高性能单芯片CMOS摄像机有希望在短期内出现,单芯片彩色CMOS摄像机有望在今后两年内出现。

目前,人们主要致力于提高CMOS图像传感器,尤其是CMOS APS的综合性能,缩小单元尺寸,调整CMOS工艺参数,将时钟和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、图像压缩等电路与图像传感阵列完全集成在一起,并制作滤色片和微透镜阵列,以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。

(下转第18页)

面时难以避免的跳跃误差得以修正,从而拓宽了检测范围。另外,上述的图像均是在普通室内光线环境下采得,傅里叶法变换处理前未加任何预处理,可见该法具有很好的适应性和实用性。

参　考　文　献

1　Takeda M,Mutoh K.Fourier transform profilometry for the automatic measurement of3-D object shapes.Appl.Opt., 1983;22(24);3977～3982

2　Takeda M,Ina H,K obayashi S.Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry.J.Opt.S oc.Am.,1982;72(1):156～1603　江　毅,黄尚廉.基于投影光栅的大型三维曲面轮廓测量.计量学报,1996;17(3):232～235

4　R.C.冈萨雷斯,P.温茨著,李叔梁等译.数字图像处理.

北京:科学出版社,1981

5　徐建强,王蕴珊,齐元华.三维形貌光学检测图像处理系统.计算机应用研究,1998;13(3):173～175

徐建强　男,1962年7月生,山

东工业大学数理系,讲师。主要

从事三维形貌、表面粗糙度的无

损检测等方面的研究,已在学术

刊物上发表相关论文数篇。

(上接第14页)

表1　CMOS APS发展现状[1、3～7]

T ab.1　R ecent progress in research on CMOS APS

像元数/元像元间距/μm像　素工　艺公　司公布年

128×12819.2PD-APS 1.2μm n阱CMOS J PL1995

640×480 5.6PD-APS—东芝1997

800×800—PD-APS—VL SI影像1997

128×12824.0PD-APS 1.2μm数字CMOS斯坦福大学19961)

256×25620.4PG-APS 1.2μm n阱CMOS J PL19962)

1024×102410.0PG-APS0.5μm CMOS J PL/A T&T1995

2048×20487.5对数传输型0.5μm标准CMOS IMEC1997

512×512 6.6PD-APS—IMEC19953)

64×6424.0PG-APS 1.2μm n阱CMOS J PL19974) 注:1)带电子快门;2)片上摄像机;3)非积分方式工作;4)集成有6～8列平行ADC

参　考　文　献

1　Nixon R H,K emeny S E,Pain B et al.256×256CMOS ac2 tive pixel sensor camera-on-a-chip.IEEE Journal of S olid State Circuits,1996;31(12):2046～2050

2　翁寿松.亚微米,半微米和深亚微米IC及其工艺.固态技术,1997;3:7～9

3　Fossum E R.CMOS image sensor:electronic camera-on-a -chip.IEEE Transactions on Electron Devices,1997;44

(10):1689～1698

4　Nixon R H,K emeny S E,Staller C O et al.128×128 CMOS photodiode-type active pixel sensor with on-chip timing,centrol and signal chain electronics.Proc.of SPIE, 1995;2415:117～1235　Scheffer D,Dierickx B,Meynatns G.Random addressable2 048×2048active pixel image sensor.IEEE Transactions on Electron Devices,1997;44(10):1716～1720

6　Chye Huat Aw,Wooley B A.A128×128-pixel standard -CMOS image sensor with electronic shutter.IEEE Jour2 nal S olid State Circuits,1996;31(12):1922～1930

7　Zhou Zhimin,Pain B,Fossum E R.CMOS active pixel sen2 sor with on-chip successive approximation analog-to-digital converter.IEEE Transactions on Electron Devices, 1997;44(10):1759～1763

赵文伯　男,1966年生,工程师。主要研究领域是固体图像传感器。