光學成像系統 Part I V - CMOS光電結構再探 (二)

一、光學結構

1. CMOS子結構解析：

• OCMA(On-Chip Microlens Array)： 用於匯聚光線；
• OCCFA(On-Chip Color Filter Array)： 用於採集彩色信息；
• LS(Light Shield): 用於防止像素之間光的串流；

2. 填充因子 - Fill Factor

FF爲實際感光區域比，公式爲

\[FF=(A_{pd}/A_{pix})\times 100 \% \tag{1} \]

\(A_{pd}\) 爲像素的感光區域面積大小， \(A_{pix}\) 爲像素面積。

     如果不考慮芯片上的微型透鏡，在典型的 IT 和 FIT CCD 中, 填充因子是由沒有被遮光金屬覆蓋的開孔面積決定的。在 IT 和 FIT CCD 中，被遮光金屬覆蓋的部分包括傳輸門、用於隔離像素的溝道截止區域和 V-CCD 移位寄存器的區域。FT CCD 的填充因子FF由非光感溝道截止區域面積決定, 這一區域將 V-CCD轉移通道與 CCD 門時鐘分開。

     CMOS 圖像傳感器有源像素中至少需要 3 個晶體管(復位晶體管reset transistor,、源跟隨器晶體管source follower transistor和行選擇晶體管row select transistor）, 且它們當被遮光金屬所覆蓋。如果使用更多的晶體管, 填充因子也會相應降低。這些晶體管所需的面積依賴於製造止藝所提供的設計規則(特徵尺寸)。

     微型透鏡將光線聚集到光電二極管上，可以有效提高填充因子。不管是在 CCD 還是CMOS 圖像傳感器中, 微型透鏡都在提高感光度上起着非常重要的作用。

3. 彩色濾光陣列 - Color Filter Array

彩色濾光陣列（CFA）用於將彩色信息進行分離並滿足數碼相機的微小化需求，下圖展示了兩種類型的彩色濾波陣列和他們的光譜透射率。

圖1 彩色濾光器佈局和光譜透射率 a. 拜爾濾光及響應 b.CMY互補色濾光模式及響應

數碼相機領域主要使用RGB基色濾光陣列，如圖1 a。其因良好的波長敏感性而有更好的色彩再現能力和更好的彩色信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。綠色較多因爲人眼主要從綠色灰區視覺細節，這也意味着視覺亮度差異與綠色有關，而顏色知覺和紅色與藍色有關。

圖1 b展示了CMY互補色濾光模式由藍綠色、洋紅色和黃色濾光器組成。每種顏色由下列等式表示：

\[\begin{align*} Y_e=R+G=W-B\\ M_g=R+B=W-G\\ C_y=G+B=W-R\\ G=G \end{align*} \]

     相比於 RGB 基色濾波, 該模式的各個互補色濾光片的光穿透範圍較寬，可以獲得更高的敏感度。然而, 爲了輸出顯示而將互補色成分轉換成 RGB 的減法操作會帶來信噪比的下降，色彩再現也通常沒有 RGB 基色濾光那麼準確。

     製作片上顏色濾光片的材料可分爲兩類: 顏料和染料。基於顏料的彩色濾波陣列是當今主流，因爲它們相比基於染料的彩色濾波陣列有更好的耐熱性和耐光性。這兩材料製成的濾光片的厚度均可做成叢亞微米到 \(1\mu m\) 的任何值。

4. 微型透鏡陣列 - Microlens Array

     片上微型透鏡將人射光匯聚在光電二極管上。片上微型透鏡陣列 (on-chipmicrolens array,OMA於1983 年在 IT CCD 中首次使用。它的製作過程如下：首先，使用透明樹脂使顏色濾光片層平滑化; 然後, 將微型透鏡樹脂層旋塗在平滑層上：最後，在樹脂層上刻蝕上光刻圖案，這個圖案最終將通過晶片煤燈形成窩狀的微型透鏡。 近來先進的工藝製程在減小像素尺寸和增加像素總數方面卓有成效, 但靈敏度隨着像素尺寸的縮小而減小了。這一點可以通過增加一個簡單的片上微透鏡陣列來彌補，但因入射光位置不同,其從成像透鏡到圖像傳感器的角度也不同，從而導致陰影的產生。如圖2所示

圖2 因入射光角度的位置關係產生的陰影

     減小微型透鏡與光電二極管表面的距離可以諸少這個與角度相關的響應。此外，還可以引入另外一種技術，即通過移動成像陣列邊緣的微型透鏡的位置以消除陰影。FT CCD 的角度響應比 IT CCD 更大, 因爲它具有較大的填充因子 。爲了進一步增加光子收集效率, 可以縮小透鏡之間的距離。雙層透鏡結構示意圖 如圖3所示, 它在傳統的“表面”微型透鏡下有一層額外的“內部”微型透鏡。

圖3 雙層微型透鏡

     微型透鏡還有助於減少 CCD 圖像傳感器中的漏光, 降低 CCD 和 CMOS 圖像傳感器中由於少數載流子擴散而造成的像素間串擾。

🌻 如圖3所示爲雙層微型透鏡的示意圖，考慮 \(SiO_2-Si\) 接觸面的反射情況如下：
當兩種材料的折射率不同時，人射光線會在兩種材料的接觸面發生反射。垂直人射到接觸面的光線的反射率(Reflectivity, R) 由下式給出 :

\[R=(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2})^2 \]

     \(SiO_2\) 的折射率爲 \(1.45\) , \(Si\) 的折射率爲 \(3\sim 5\) , 由此計算, 可見光範圍 \((400 \sim 700 nm)\) 內有超過 \(20\%\sim30\%\) 的入射光線在硅表面被反射掉了。爲了減少 \(SiO_2-Si\) 表面的反射, 在光電二極管上塗可以減少反射的反射膜的技術。通過使用由最優比例的 \(SiO_2-Si_3N_4-Si\) 層組成的減反射膜，感光度可提高30%。

二、電學參數

1. 電荷收集效率 - Charge Collection Efficiency

電荷的吸收效率 \(\eta(\lambda)\) 爲

\[\eta(\lambda)=\frac{SignalCharge}{Photo - GenerateCharge} \]

電荷收集效率由補底類型、雜質分佈、體區少數載流子壽命以及光電二極管的偏置方式決定。

2. 滿陷容量 - Full-Well Capacity

     光電二極管工作在電荷積分模式下，因此只有有限的電荷儲存能力。光電二極管的電容能夠積累的最大電荷量稱爲滿阱容量(full-well capacity)或者飽和電荷量(saturation charge), 由下式給出：

\[N_{sat}=\frac{1}{q} \int_{V_{rest}}^{V_{max}}C_{PD}(V)\cdot dV[electrons] \]

式中， C_{pd} 是光電二極管的電容; \(q\) 是一個電子的帶電量; \(V_{reset}\) 和 V_{max} 分別是初始電壓和最大電壓，它們與光電二極管結構和工作條件有關。

Reference

圖像傳感器基礎知識-像素中的光電探測器@知乎