90納米以下高性能CMOS圖像感測器關鍵技術研究

《90納米以下高性能CMOS圖像感測器關鍵技術研究》是依託天津大學，由李斌橋擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：90納米以下高性能CMOS圖像感測器關鍵技術研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：李斌橋
• 依託單位：天津大學

項目摘要

基於90納米以下工藝的高性能微小像素、像素內集成功能單元、千萬以上超大像素陣列是目前CMOS圖像感測器發展急待解決的三個基礎問題，突破上述理論問題對圖像感測技術發展具有重要的意義。本項目從理論和實驗上開展以下研究：在分析小尺寸工藝下像素噪聲產生機理與建立完善模型的基礎上，研究像素中採用層疊二極體的高信噪比光生電荷收集、轉移與存儲的理論、模型與電路；通過像素內集成功能單元實現低噪聲並行曝光、大動態範圍像素的理論、模型與電路；千萬以上超大像素陣列驅動和低電源電壓條件下像素信號讀出機理與電路實現。最終建立完善的90納米以下CMOS圖像感測器理論模型，完成核心像素陣列與讀出電路的理論研究、工藝與電路設計，在高信噪比微小像素、低噪聲並行曝光大動態範圍像素和超大像素陣列技術上取得創新性成果。從基礎上突破納米級CMOS圖像感測器發展瓶頸，為新一代高性能圖像感測器的發展提供可行性理論指導和技術方法。

結題摘要

本項目基於90nm以下工藝研究光生電荷收集和轉移理論，以90nm以下工藝像素RTS噪聲機理研究為核心，建立精確的感測器噪聲模型，利用90nm以下工藝像素內部可集成性提高的優勢，通過存儲單元集成從根本上改變電荷儲存轉移的機理，並以此為基礎，實現全並行曝光、動態範圍擴展等新工作模式。針對90nm以下工藝，解決超大像素陣列、小尺寸像素條件下的像素驅動能力不足的問題。在微小像素中高信噪比光生電荷收集與轉移的理論和方法方面：課題組針對有源像素模型、超低壓套用CMOS像素結構、像素噪聲模型、背照式像素結構和串擾及電荷轉移等開展研究。提出一種溝道區域電勢梯度分布的最佳化設計方法，用以提高電荷轉移效率、減小圖像拖尾等問題；基於電子發射理論，針對鉗位光電二極體電荷傳輸模型，提出一種判斷電荷是否完全轉移的測試方法；針對微小像素阱容量偏低的問題，提出一種改進型的縱向擴展阱容量的鉗位光電二極體結構；針對4T像素內源跟隨器的RTS噪聲，利用蒙特卡洛方法基於其時域特性建立了統計模型；針對微小像素感光面積偏低的問題，提出一種1T有源像素結構，大幅提高像素的填充因子；針對低光照條件下套用的大感光面積像素結構，提出了通過增加一次P型雜質注入在PPD內建立內建電場的方法來提高像素轉移效率和滿阱容量。在低噪聲全局曝光和大動態範圍像素的機制與方法方面：課題組提出了一種傳輸柵電壓可調結構的4T像素結構實現光生信號在像素內的融合，來擴展圖像感測器動態範圍；針對基於時域的PWM像素，提出了一種利用可程式電流控制閾值技術的動態比較方法，提高了傳統數字像素的填充因子和動態範圍；針對小尺寸工藝的特性，提出了一種在像素內部集成電荷臨時存儲單元的結構，降低電路複雜度，從而極大降低電路整體功耗；以超大像素陣列和高幀頻為套用背景，提出了一種緊湊式的讀出機制，從而提高基於多次曝光擴展動態範圍的感測器性能。在千萬以上超大像素陣列及其信號讀出方面：課題組提出並設計了一種可以消除電源IR降落影響的電流偏置電路；提出一種利用開關電容方式取代傳統電流鏡金屬線直連方式的電路結構，降低了電源IR-drop對讀出信號的影響；另外還提出一種採用電流信號作為信號載體的採樣保持電路用以避免IR-drop問題；針對小尺寸工藝下電壓擺幅縮小而造成信噪比降低等問題，提出一種基於CMOS圖像感測器列級ADC的數字雙採樣方法，簡化列級模擬電路,減小了電路功耗。