CCD图像传感器的现状及未来发展.pdf

专题综述 2010年第 23卷第 6期 Electronic Sci?从缩小像元尺寸、提高灵敏度、改进暗电流 及性能技术方面,介绍了 CCD 图像传感器技术 的发展及现状, 为提高 CCD 性能出现一 些独特概念、结构与 技术。 关键词?CCD; 图像传感器; 图像尺寸; 暗电流 中图分类号?TP212? ? 文献标识码? A? ? 文章编号? 1007- 7820( 2010) 06- 082- 04 Current Situations and FutureDevelopm ents of CCD Image Sensors Hu L in ( School ofTechnical Physics ,X id ian University ,X i? an 710071,China) Abstract? The basic structure and work ing principle of the CCD solid m i age sensor are described.Its develop- ment is introduced from the aspects of reducing the pixel? s size and the dark current aswell as m i proving the sensitiv- i ty and technical perfor mance .Some un ique concepts,structures and technologies are introduced to enhance the per - for mance of CCD. K eywords? CCD;m i age sensors;m i age size ;dark current ? 电容耦合器件 ( Charge Coupled Device ,CCD) 是 一种以电荷为信号载体的微型图像传感器。 CCD 是 以硅作为载体,其感光原理是基于硅对光线的吸收以 及对光电子的收集。根据像元排列形状的不同,CCD 可分为线型和面型两种, 其中线型主要应用于影像扫 描器及传真机上, 而面型主要应用于数码相机、监视 摄影机等摄像产品。 1? CCD的结构及工作原理 CCD的工作原理可以比喻为 ?小桶?和 ?光雨 ?。 CCD的结构就像是传送带上的并排小桶,光线像雨 滴般离散地射入这些小桶,每一个小桶代表一个像 元 1。这里, 小桶是指用于对光电流积分的光电二极 管 PN结反偏结电容;传送带代表 CCD的读出电路。 当对 CCD曝光后,光电二极管首先通过其反偏结电 容对光电流积分, 记录光电荷;接着通过一组时钟控 制, 交替改变读出电路结构中相邻 MOSFET的反偏势 阱, 使 之 前 获 得 的 光 电 荷 包 按 顺 序 依 次 通 过 MOSFET,最终到达输出端,依次传递相邻两次曝光 产生的光电荷包。 2? CCD图像传感器的技术发展历程及现状 1970年, 美国贝尔实验室成功研制了世界上第 一只 CCD;1973年,仙童公司制造出第一只商用 CCD成像器件;80年代后期,CCD在大多数视频应 用中取代了电子管;进入 90年代后,CCD应用于分 辨率成像,广泛应用于专业电子照相、空间探测、 X射线成像以及科学应用等领域 2。 2?1?CCD像元尺寸的缩小与灵敏度的提高 由于像元尺寸的减小,输出电压饱和度和灵敏度 也随之减小,尤其是像元尺寸减小到 2 ? m 以下, 有 很大的灵敏度损失。许多图像传感器公司在缩小像元 尺寸的同时,针对上述问题提出了技术改进。比如通 过 Si3N4侧墙隔离缩小栅电极间距;优化微透镜形 状,采用片上微透镜、无缝透镜、内嵌透镜以及复合 透镜等技术;运用低寄生电容的设计改善转换因子; 采用背面光照技术等,使饱和电压和灵敏度得到充分 改善 3- 4。 2?2?CCD中暗电流的改善 众所周知, 器件中界面态的存在较大地增加了暗 电流与暗固定图案噪声。一种解决方法是, 采用埋沟 器件结构,虽然埋层沟道较好地解决了界面态的问 题,但制造比较复杂。另一种解决方法是, 利用空穴 对界面态的填充减小暗电流。当界面态被电荷充满 82 胡琳:CCD图像传感器的现状及未来发展专题综述 后, 便不再产生任何暗电流 5- 6。脉冲调制 CCD 一 个像元的栅, 使 MOS结构连续达到积累模式又返回 深耗尽模式, 使界面偏置在积累模式时吸引足够的空 穴来填充界面态 7, 这是利用电荷泵作用 ( Charge Pumping)来减小暗电流。这种方法也有一些局限性, 主要表现在对时钟与温度的依赖, 在一个短暂的时钟 周期后, 界面态释放其中的空穴又开始产生暗电流。 而 MPP (Multiphase P inning) CCD 和 AGP ( All- Gates P inning)结构 CCD可以较好的解决这一问题。通过精 心的电路设计、版图与加工可以使得 MOS结构在积 分周期内被强制为积累模式。只要 CCD工作在积分 或者曝光模式,所有 CCD的栅都偏置在低电位,空 穴就会被吸引到界面处消除由于未填充界面态而产生 的暗电流。由于 CCD的电荷传输远比界面态的弛豫 时间快得多, 因此传感器在整个工作时期内, 都可以 保持很低的暗电流。相比于以上对界面态的暂时性处 理, 永久性地填充界面态可以解决由其产生的暗电流 问题。空穴累积二极管 ( HAD)传感器感光结构被广 泛采用, 对界面态进行永久性地填充来消除暗电流, 也被称作针扎式或 掩埋式光电二极 管 ( P inned or Buried Photodiode)。 2?3? 当今移动与视频应用催生 CCD性能与技术进一 步 进入到 21世纪以来,CCD 作为光学传感部件, 被广泛地应用于数码相机与手机中。伴随着人们对成 像质量的要求越来越高,从 CCD的噪声、漏光到抗 光晕以及满足移动应用的高读出速率都受到广泛关 注。为了满足视频模式应用以及移动拍摄的要求,同 时也需要低功耗、高灵敏度、低成本的百万像元 CCD图像传感器,许多图像传感器公司相继提出了 改进技术。 2?3?1? 工艺方面的改进 在工艺上,NEC公司采用 CCD寄存器单层电极 结构和简化工艺减小栅交迭电容并取得更好的光遮蔽 覆盖,通过使用单层 ILT- CCD电极技术减小了驱动 电压和交迭电容, 驱动电压为 2?1 V,在单层多晶硅 电极技术中通过自对准光电二极管工艺形成像元,提 高器件性能的同时降低了制造成本 8。日本三洋最近 实现的 1?56 ?m像元尺寸的 FT- CCD中采用了 Si3N4 侧墙隔离技术缩小栅电极间距,成功地将工作电压减 小到 7 V,便于低功 耗使用 9。M IT 研究人员 对 CCD /SOI工艺和 C MOS工艺进行了结合,实现了低 功耗单片集成式成像系统。这种工艺技术能够用来制 造低功耗完整单片 CCD 传感器系统,其转换电压仅 为 3 V,并且实现了与模数转换器 ( ADC ) 的单片 集成 10。 2?3?2? CCD读出噪声的抑制 在改善读出噪声方面,NEC公司开发了新型复 合氧化层技术晶体管的 3级源跟随放大器, 其第 2和 第 3级栅绝缘层厚度比 CCD寄存器薄,这使得它比 传统放大器增加了 17 % 的增益 8。由于放大器噪声 与放大器栅电容成反比, 因此增大了放大器增益和栅 电容, 使噪声得到了改善。 2?3?3? CCD中的抗光晕技术 CCD中的势阱就像容器一样,也有饱和的情况。 饱和后电荷就从阱溢出,这些溢出信号电荷被称为 图像光晕。图像光晕主要发生在强光照时,为了解 决这一问题,利用电荷泵作用来抗光晕,或称为钟 控抗晕。当给晶体管的栅施以负脉冲时,界面态就 会充满空穴,只要恰当设计器件被就能使电荷包中 的电子到达 Si- Si O2表面。这些电子会与界面态相 互作用并复合,复合了的电子就不再对信号有所贡 献。这就像空穴从电荷包中撇去了部分电子。但这 一技术也有一些缺点,首先需要足够的界面态作为 一个有效的抗光晕的漏;另一方面界面态由于电子 空穴复合而重新为空,会再一次产生暗电流。如上 所述,采用 MPP或者 AGP结构可以很好地解决这一 问题。 2?3?4? 大像元 CCD移动应用下读出速率的改善 由于越来越多的大像元移动以及视频应用的需 要,对 CCD的读出速率提出了更高的要求。在数码 相机的应用中通常有两种模式:一种是快照模式, 另 一种是查看模式。在查看模式下, 由于目前传感器像 元数量 200万个,因此读取时间容易超过 1/30 s, 这一定程度上限制了视频图像查看的速率。在大像元 下,传统的 CCD信号读出方式由于其速率的限制已 经不能满足现实要求。NEC公司提出了一种隔行扫 描的图像读取模式,对相应颜色的像元电荷进行混 合,得到 3 :1的图像压缩以提高帧速 11。Phlips公 司和荷兰代夫特大学也提出了一种应用于数码相机的 横向欠采样模式,以牺牲分辨率的代价增加图像读取 速率。在快照模式下,分辨率保持不变,而在查看模 式下, 帧转移期间进行垂直方向欠采样,只有被选中 的行中的电荷可以进入存储区,其余电荷被倾泻入衬 底内; 在读出存储区电荷时进行横向欠采样,这样可 以在保持时钟频率不变的情况下使读出速率加倍 12。 Dalsa公司的研究人员对此技术进行了进一步研究, 实现了 2 800万像元的大面阵 FT- CCD在 DSC的应 用 13。日本三洋在 2005年实现的 1?56 ?m像元尺寸 83 专题综述胡琳:CCD图像传感器的现状及未来发展 FT- CCD中也采用了垂直方向和横向欠采样技术, 它的存储区行数仅为成像区的 1/3 ,不仅使得芯片面 积缩小了 30 % ,视频模式应用达到了 30帧 /s的速 率, 还使光漏信号减小了 1/3, 获得了 4倍灵敏度和 饱和电压 9。 2?4? CCD中出现的一些独特的概念、结构与技术 除了在原有的结构和技术上进行改进,还提出了 一些新颖的概念和方法来提高 CCD的性能。在由更 高时钟脉冲驱动的输出寄存器中利用碰撞电离实现电 荷倍增, 可以确保 CCD在非常低的光照条件下无需 增强器采集信号 14。为提高 CCD的响应速率, 目前 还提出了一种具有电荷存储和斜线转移的原位存储图 像传感器 ( ISIS)结构的 CCD, 如图 1和图 2所示。它 不同于存储区为并行串 ( SPS)的 ISIS结构 CCD 15, 单向传输极大地简化了栅和金属连线的结构, 因此存 储面积最小,存储的串行图像数目最大,被认为是 ISIS结构的终极设计 16。此结构较大地提高了 CCD 的响应速率,降低了噪声,拍摄帧速接近于存储 CCD的传输速率。日本富士公司提出了一种新颖的 像元交叉阵列 ( P ixel Interleaved Array)结构 CCD,也 被称 为 超 级 CCD,其 原 理 图 如 图3 所 示。 在 PI A- CCD中,相邻行的像元位移相错 1/2交叉排列。 像元为八边形蜂窝状结构,介于像元间的纵向转移线 呈 Z型。由于像元结构与微透镜的圆形结构十分接 近, 因此它可以更好地吸收来自微透镜的光线 17- 18。 PI A- CCD在图像的横向与纵向都提高了分辨率 19, 并且在像元间也不需要连线区,与传统的 CCD相比, 在相同芯片尺寸和像元数量下,它的光电二极管尺寸 可以更大。目前富士公司已研制了 4代 PI A- CCD技 术, 其像元结构如图 4所示,第 4代技术 CCD中每 个微透镜都带有两个光电二极管, 分别捕捉黑色、正 常光线标准信号和更高亮度的光信号, 再合成得到一 张完整的照片。此技术将动态范围提升为传统 CCD 的两倍甚至更高。 3? 结束语 目前已有报道的像元大小仅为 0?5 ? m,进入了 亚微米时代。CCD将围绕着高分辨率、高读出速度、 低成本、微型化、结构优化、多光谱应用和 3D照相 等方面进一步发展。目前,C MOS发展迅速,但随着 CCD在功耗、成本方面的持续改善,未来几年中, 其仍将是 CMOS图像传感器有力的竞争对手, 两者的 技术也将进一步相互借鉴, 共同前进。 84 胡琳:CCD图像传感器的现状及未来发展专题综述 图 4? 第 4代 PI A- CCD像元结构 参考文献 1?Song A iqun, Huang Yuanqing ,Shi Jincha.i Applied Tech- nique and Development T rend of CCD I mage Sensor C. 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