单光子CMOS图像传感器将成为现实
2020-04-11 13:29:38   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，在MDPI期刊上发表的论文《基于多重无损信号采样的单光子CMOS图像传感器像素的仿真与设计》，作者为来自英国开放大学（Open University，OU）和欧洲南方天文台（European Southern Observatory，ESO）的Konstantin D. Stefanov、Martin J. Prest、Mark Downing、Elizabeth George、Naidu Bezawada和Andrew D. Holland。该论文论证了采用180nm工艺制程，可获得具有等效电荷噪声（ENC）为0.15 e-RMS、像素为10μm的单光子CMOS图像传感器。

半导体图像传感器实现SP（Single-Photon，单光子）灵敏度的方法主要有两种。第一种方法，在转换成电压之前，通过物理手段内部放大光生电荷。通过这种方式，信号将提高并高于本底噪声，从而实现可靠的SP检测。典型的例子有单光子雪崩光电二极管（SPAD）和电子倍增CCD（electron multiplying CCD，EMCCD），初级光生电子经雪崩倍增。这两种方法都可以用于分辨单个光子；然而，在电荷陷阱和高压的作用下，SPAD中的单光子存在较高暗电流率和后脉冲等缺陷，同时在EMCCD中也存在杂散电荷和过量噪声等问题。

第二种方法是将传感器的读出噪声降低到一个电子平方根（electron RMS）等效电荷噪声以下。研究表明对于目前的单光子成像仪来说，误差率基本可以忽略，ENC必须小于0.15 e-RMS。CMOS图像传感器（CMOS image sensor，CIS）技术的最新进展已显著降低了读出噪声，并报道了ENC低于0.3 e-RMS的CMOS图像传感器。这些进展通过使用特殊的设计和工艺技术，并且提高MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）的噪声性能，使传感器的转换增益增加到200 μV/e以上。使用这些方法的确可以进一步改善噪声，但是随着噪声接近期望的0.15 e-RMS水平，困难也会增加。

该论文摘要中写道：“此论文描述了基于多电荷转移和钉扎光电二极管（pinned photodiode，PPD）的单光子CMOS图像传感器设计，以及采样结果。在CMOS图像传感器的PPD像素结构中，对光生信号进行多次无损采样，最后取所有结果的平均值。每个信号的检测都具有统计意义的独立性，并且通过平均，将电子读出噪声降低到能够可靠分辨单个光子的水平。实验小组用TCAD（Technology Computer Aided Design，半导体工艺模拟及器件模拟工具）软件对该方法的像素设计进行了模拟，并生成了若干180nm CMOS图像传感器的布局。通过仿真，确定了像素的噪声性能与采样数、电容感测节点、采样率和晶体管特性之间的函数关系，并详细讨论了该设计的优缺点，包括噪声性能和读出速率之间的取舍，以及电荷转移效率低下（charge transfer inefficiency，CTI）的影响。目前，第一台原型器件的预测性能表明单光子成像已触手可及，而且可以在众多科学和工业成像领域实现突破性的性能。”下面对该论文内容做简要阐述。

由于CMOS图像传感器具备固定的并行读出架构，因此有可能满足市场对提高读取速度的强烈需求。对于绝大多数CMOS图像传感器具备固定的并行读出架构来说，均可同时读取一整行像素，与只能读取单个或较少输出的传感器，如CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）相比，可以将读出时间降低三个数量级。此外，现代CMOS图像传感器中更精细的特征尺寸使浮栅型图像传感器读出电路的转换增益远高于CCD。这种更精细的特征尺寸可以在单次测量中显着降低读出噪声，从而减少信号样本平均数量。

在此论文中，研究小组研究了基于CMOS图像传感器的Skipper设计对于实现单光子可见光成像的深亚电子读出噪声的适用性。论文第2章节介绍了其工作原理和TCAD仿真数据，第3章节进行了噪声分析，第4章节则主要对像素设计和布局及其预期性能进行重点阐述。如需了解更多信息，请参考https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2031/htm。

此次实验过程中，研究小组选择了PPD作为光敏元件，并将其与基于BC（buried channel） CCD（埋沟CCD）结构相结合以进行多重信号采样。图1显示了新像素方案的简化图。图2显示了像素工作时的电位图。

图1 新像素方案的示意图

图2 新像素方案中电荷转移的时序图

结论

该论文提出了一种在CMOS图像传感器技术中使用多个无损信号采样的单光子图像传感器的概念。通过对独立统计的多个信号样本求平均值，样本数的平方根可减小读出电路噪声。因此噪声水平可降低到等效电荷噪声（ENC） < 0.15 e-RMS，该数据被认为是能够可靠区分单个电子所必需的水平。因此最终成像只受配准光子的散粒噪声限制，而不受电子噪声的影响。

新的像素设计使用嵌入式光电二极管作为光敏元件，每个像素的埋沟CCD通过感测栅极和信号电荷之间的电容耦合进行多次电荷转移和无损信号读出。在TCAD中对该像素设计方法进行了模拟，并生成了若干180nm CMOS图像传感器的布局。由于CMOS图像传感器中大量的并行读出，因此与“Skipper CCD”技术相比，读出速率会显著提高。通过仿真，确定了像素的噪声性能与采样数、电容感测节点、采样率和晶体管特性之间的函数关系。

最终的结果表明，在CMOS图像传感器技术中使用多重无损信号采样的单光子成像是可行的。我们的设计和仿真结果表明，使用目前的技术，以约100 fps的速度运行百万像素级传感器是可行的。这种传感器可以在诸如天文学、自适应光学、生物成像、量子技术和自动系统等领域具有广泛应用。

接下来，我们的下一工作目标是在芯片上实现具有数字信号平均的全尺寸成像仪。

论文链接：https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2031/htm