想象一下

移動(dòng)設(shè)備及其日新月異的拍照功能已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€(gè)重要組成部分。得益于越來(lái)越先進(jìn)的手持設(shè)備，人們能夠更加輕松地拍攝、記錄、存儲(chǔ)自己和周邊世界的圖像。盡管今天看來(lái)，這種功能已經(jīng)再普遍不過(guò)了，但這一切并非憑空造就，而是人們歷經(jīng)若干年甚至長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的辛勤研發(fā)的成果。 隨著人們對(duì)更高質(zhì)量圖像和更小尺寸設(shè)備的需求的不斷增加，創(chuàng)新、突破和進(jìn)步也在不斷涌現(xiàn)。下面，我們將通過(guò)SK海力士CIS業(yè)務(wù)高級(jí)研究員吳薰翔 撰寫(xiě)的一篇文章，詳細(xì)了解更多關(guān)于CMOS圖像傳感器（CMOS image sensor，簡(jiǎn)稱(chēng) CIS）技術(shù)開(kāi)發(fā)以及SK海力士對(duì)CIS技術(shù)做出的貢獻(xiàn)。

CIS圖像質(zhì)量與像素（Pixel)

我們今天使用的大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等，都至少裝有一個(gè)或多個(gè)攝像頭傳感器。我們?cè)谶@些設(shè)備上拍攝的圖像的質(zhì)量好壞是由傳感器中一種名為“像素”的電子機(jī)制決定的，而傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的關(guān)鍵部件。

在眾多的圖像質(zhì)量指標(biāo)中，最具代表性的是被稱(chēng)為“圖像信噪比（Signal-to-Noise Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng) SNR）”的定義和測(cè)量過(guò)程（圖1）。為了獲得較高的圖像信噪比，我們需要增加信號(hào)項(xiàng)和降低噪聲項(xiàng)，而這些項(xiàng)主要取決于滿(mǎn)阱容量、靈敏度、像素暗噪聲、讀出電路噪聲和像素串?dāng)_等像素性能指標(biāo)。

在明亮條件下，滿(mǎn)阱容量和像素串?dāng)_是影響圖像信噪比的主要因素；而在黑暗條件下，靈敏度、像素暗噪聲、讀出電路噪聲和像素串?dāng)_則是影響圖像信噪比的主要因素。因此，從技術(shù)角度來(lái)看，在黑暗條件下獲得較為理想的圖像信噪比，即更佳的圖像質(zhì)量，就更為困難，這是因?yàn)槲覀冃枰刂撇⒏倪M(jìn)許多像素的性能指標(biāo)。

CIS像素發(fā)展歷程

在過(guò)去的十年里，人們對(duì)更高分辨率傳感器的需求不斷提高，同時(shí)也不斷致力于開(kāi)發(fā)出更小的像素。圖2展示了CIS像素技術(shù)的發(fā)展歷程，從中我們可以看到像素大小縮放的技術(shù)壁壘是如何被攻克的。像素縮小技術(shù)的創(chuàng)新分為三個(gè)階段: （1）靈敏度（Sensitivity）；（2）串?dāng)_（Crosstalk）；和（3）QUAD（或 TETRA）像素技術(shù)。

在第一階段，像素工程師們致力于彌補(bǔ)因像素尺寸減小而導(dǎo)致的靈敏度受損，由此研發(fā)出包括片上透鏡（或微透鏡）、更厚的硅光電二級(jí)管和背照式等在內(nèi)的許多創(chuàng)新技術(shù)。。在第二階段，即像素尺寸達(dá)到1微米左右時(shí)，像素工程師們更多地將注意力放在減少串?dāng)_上。在此期間，為了抑制光電串?dāng)_，研究人員研發(fā)出了彩色濾光片層金屬柵極結(jié)構(gòu)和硅光電二極管深槽隔離工藝等新技術(shù)。

隨著像素尺寸不斷縮小到亞微米范圍，研究人員針對(duì)小像素在弱光照環(huán)境下的敏感度問(wèn)題，提出了一種全新的、基于QUAD或TETRA像素結(jié)構(gòu)的像素工作模式概念。QUAD像素的基本工作原理如圖3所示。預(yù)計(jì)在未來(lái)，所有亞微米尺寸像素也將采用這種QUAD像素方案。

圖像傳感器與SK海力士

SK海力士從2007年開(kāi)始投身CIS業(yè)務(wù)，十多年來(lái)一直致力于生產(chǎn)基于8英寸晶圓的圖像傳感器產(chǎn)品。隨著基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和5G技術(shù)的ICT時(shí)代的到來(lái)，圖像傳感器市場(chǎng)正在迅速發(fā)展，SK海力士也在大力發(fā)展CIS業(yè)務(wù)，并將其作為存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)以外的又一業(yè)務(wù)增長(zhǎng)引擎，從而滿(mǎn)足市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的需求。經(jīng)過(guò)數(shù)年來(lái)針對(duì)12英寸晶圓CIS的工藝準(zhǔn)備，SK海力士于2019年推出了一款基于12英寸晶圓的1.0微米產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用了公司專(zhuān)有的Black Pearl像素技術(shù)，憑借極具競(jìng)爭(zhēng)力的像素性能，獲得了客戶(hù)的一致好評(píng)。Black Pearl具有改進(jìn)后的噪聲特性，能夠在低照度條件下實(shí)現(xiàn)低噪聲的清晰圖像。

展望未來(lái)

SK海力士始終致力于提供一流的傳感器性能和生產(chǎn)能力，并將在未來(lái)十年內(nèi)將其技術(shù)提升到更高水平。目前，SK海力士正在根據(jù)產(chǎn)品性能和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，將CIS產(chǎn)品組合范圍從中端擴(kuò)展到高端。公司將在2020年及以后加大對(duì)CIS業(yè)務(wù)領(lǐng)域的投入，并躋身CIS業(yè)務(wù)世界領(lǐng)先行列。