光学成像系统 Part I V - CMOS光电结构再探 (二)

一、光学结构

1. CMOS子结构解析：

• OCMA(On-Chip Microlens Array)： 用于汇聚光线；
• OCCFA(On-Chip Color Filter Array)： 用于采集彩色信息；
• LS(Light Shield): 用于防止像素之间光的串流；

2. 填充因子 - Fill Factor

FF为实际感光区域比，公式为

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

\(A_{pd}\) 为像素的感光区域面积大小， \(A_{pix}\) 为像素面积。

     如果不考虑芯片上的微型透镜，在典型的 IT 和 FIT CCD 中, 填充因子是由没有被遮光金属覆盖的开孔面积决定的。在 IT 和 FIT CCD 中，被遮光金属覆盖的部分包括传输门、用于隔离像素的沟道截止区域和 V-CCD 移位寄存器的区域。FT CCD 的填充因子FF由非光感沟道截止区域面积决定, 这一区域将 V-CCD转移通道与 CCD 门时钟分开。

     CMOS 图像传感器有源像素中至少需要 3 个晶体管(复位晶体管reset transistor,、源跟随器晶体管source follower transistor和行选择晶体管row select transistor）, 且它们当被遮光金属所覆盖。如果使用更多的晶体管, 填充因子也会相应降低。这些晶体管所需的面积依赖于制造止艺所提供的设计规则(特征尺寸)。

     微型透镜将光线聚集到光电二极管上，可以有效提高填充因子。不管是在 CCD 还是CMOS 图像传感器中, 微型透镜都在提高感光度上起着非常重要的作用。

3. 彩色滤光阵列 - Color Filter Array

彩色滤光阵列（CFA）用于将彩色信息进行分离并满足数码相机的微小化需求，下图展示了两种类型的彩色滤波阵列和他们的光谱透射率。

图1 彩色滤光器布局和光谱透射率 a. 拜尔滤光及响应 b.CMY互补色滤光模式及响应

数码相机领域主要使用RGB基色滤光阵列，如图1 a。其因良好的波长敏感性而有更好的色彩再现能力和更好的彩色信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。绿色较多因为人眼主要从绿色灰区视觉细节，这也意味着视觉亮度差异与绿色有关，而颜色知觉和红色与蓝色有关。

图1 b展示了CMY互补色滤光模式由蓝绿色、洋红色和黄色滤光器组成。每种颜色由下列等式表示：

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

     相比于 RGB 基色滤波, 该模式的各个互补色滤光片的光穿透范围较宽，可以获得更高的敏感度。然而, 为了输出显示而将互补色成分转换成 RGB 的减法操作会带来信噪比的下降，色彩再现也通常没有 RGB 基色滤光那么准确。

     制作片上颜色滤光片的材料可分为两类: 颜料和染料。基于颜料的彩色滤波阵列是当今主流，因为它们相比基于染料的彩色滤波阵列有更好的耐热性和耐光性。这两材料制成的滤光片的厚度均可做成丛亚微米到 \(1\mu m\) 的任何值。

4. 微型透镜阵列 - Microlens Array

     片上微型透镜将人射光汇聚在光电二极管上。片上微型透镜阵列 (on-chipmicrolens array,OMA于1983 年在 IT CCD 中首次使用。它的制作过程如下：首先，使用透明树脂使颜色滤光片层平滑化; 然后, 将微型透镜树脂层旋涂在平滑层上：最后，在树脂层上刻蚀上光刻图案，这个图案最终将通过晶片煤灯形成窝状的微型透镜。 近来先进的工艺制程在减小像素尺寸和增加像素总数方面卓有成效, 但灵敏度随着像素尺寸的缩小而减小了。这一点可以通过增加一个简单的片上微透镜阵列来弥补，但因入射光位置不同,其从成像透镜到图像传感器的角度也不同，从而导致阴影的产生。如图2所示

图2 因入射光角度的位置关系产生的阴影

     减小微型透镜与光电二极管表面的距离可以诸少这个与角度相关的响应。此外，还可以引入另外一种技术，即通过移动成像阵列边缘的微型透镜的位置以消除阴影。FT CCD 的角度响应比 IT CCD 更大, 因为它具有较大的填充因子 。为了进一步增加光子收集效率, 可以缩小透镜之间的距离。双层透镜结构示意图 如图3所示, 它在传统的“表面”微型透镜下有一层额外的“内部”微型透镜。

图3 双层微型透镜

     微型透镜还有助于减少 CCD 图像传感器中的漏光, 降低 CCD 和 CMOS 图像传感器中由于少数载流子扩散而造成的像素间串扰。

🌻 如图3所示为双层微型透镜的示意图，考虑 \(SiO_2-Si\) 接触面的反射情况如下：
当两种材料的折射率不同时，人射光线会在两种材料的接触面发生反射。垂直人射到接触面的光线的反射率(Reflectivity, R) 由下式给出 :

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

     \(SiO_2\) 的折射率为 \(1.45\) , \(Si\) 的折射率为 \(3\sim 5\) , 由此计算, 可见光范围 \((400 \sim 700 nm)\) 内有超过 \(20\%\sim30\%\) 的入射光线在硅表面被反射掉了。为了减少 \(SiO_2-Si\) 表面的反射, 在光电二极管上涂可以减少反射的反射膜的技术。通过使用由最优比例的 \(SiO_2-Si_3N_4-Si\) 层组成的减反射膜，感光度可提高30%。

二、电学参数

1. 电荷收集效率 - Charge Collection Efficiency

电荷的吸收效率 \(\eta(\lambda)\) 为

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

电荷收集效率由补底类型、杂质分布、体区少数载流子寿命以及光电二极管的偏置方式决定。

2. 满陷容量 - Full-Well Capacity

     光电二极管工作在电荷积分模式下，因此只有有限的电荷储存能力。光电二极管的电容能够积累的最大电荷量称为满阱容量(full-well capacity)或者饱和电荷量(saturation charge), 由下式给出：

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

式中， C_{pd} 是光电二极管的电容; \(q\) 是一个电子的带电量; \(V_{reset}\) 和 V_{max} 分别是初始电压和最大电压，它们与光电二极管结构和工作条件有关。

Reference

图像传感器基础知识-像素中的光电探测器@知乎