浅谈图像传感器（二）--读者回复

上次提到image sensor的创新思路主要分为新材料体系、新电路设计和架构，新物理机制，新功能设计，当然还有新器件设计等几个方面。在创新上，学术界一般比较脑洞大，各种奇思妙想都有。产业界相对保守，CMOS兼容这个条件使得他们在创新上不得不带上枷锁进行发挥，此外，他们的“新型”是为了参数、成本、功能的综合提升而服务的，而不是为了创新和探索而去做“新型”。下面举几个例子。

Stack image sensor（代表：Sony）

“节点不够，堆叠来凑”，摩尔定律的续命已经在往3D堆叠，先进封装的方向发展，来通过DTCO实现PPAC的整体调优。这一套同样也适用于CIS，尤其是追求小像素尺寸的设计。

Sony在2017年的TEDM上推出了基于TSV技术的三层堆叠式CIS结构（Pixel/DRAM/logic 3-layer stacked CMOS image sensor technology链接为https://ieeexplore.ieee.org/document/8268317 实现了将pixel，DRAM，与logic die进行垂直stacking。这一设计在保证pixel die性能的前提下，引入DRAM，从而实现motion blur 的抑制。

接着，Sony继续利用其stack工艺上的优势，在2021 年IEDM上推出自己的像素堆叠式CMOS图像传感器。像素结构依然是经典的4T电路结构（加入了像素级binning）。像素晶体管和pd分别在垂直方向上的两层芯片上，相比传统设计，PD和像素级读出电路在同一层上，这一堆叠式CMOS图像传感器结构的优势在于：

• 第一层全是PD感光面，FF可以更大
• 第二层有充足的面积给像素级电路中的管子，实现尺寸调优，也可以设计更为复杂的像素级电路，而不用担心占用面积
• PD和像素晶体管可以独立优化，实现各自的性能最优设计
• 可以实现像素的进一步scaling

（图片来源：Sony Develops World’s First*1 Stacked CMOS Image Sensor Technologywith 2-Layer Transistor Pixel｜News Releases｜Sony Semiconductor Solutions Group (sony-semicon.com)）

这一类型的创新工作还有很多，主要思路是：

借助新型工艺，先进封装的赋能，实现CIS的整体性能调优。

分光代替滤光（代表：三星）

说到分光代替滤光这一思路，我之前也有想到，是在快毕业的时候听到一个CIS公司的宣讲，讲到传统的RGB byer filter使得入射光的功率损失，不利于弱光探测，所以有了RGBW，互补色等一系列方案，当时就想到，那如果不用滤光片，直接在像素上用基于metasurface的分光片，是不是可以实现入射光信号的充分利用呢？而且是否可以不局限于RGBW，实现更多色分光，乃至实现多色通道成像。然后大概过了一年，就看到了三星2022年在NC上的工作（Zou, X., Zhang, Y., Lin, R. et al. Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces. Nat Commun 13, 3288 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31019-7）

这一方案引出的一个思路是：

借助了最近微纳光学的一些发展，尤其是在metasurface ，metalens上，CIS可以实现一些设计上创新，以实现新功能、高性能。

相关的类似工作还有很多，包括一些filter-free的设计，比如Hyunsung Park, Yaping Dan, Kwanyong Seo, Young J. Yu, Peter K. Duane, Munib Wober, and Kenneth B. Crozier Nano Letters 2014 14 (4), 1804-1809，DOI: 10.1021/nl404379w （基于硅纳米线）

Quantum Dot image sensor

说到filter-free，还有一些工作直接去掉了pixel前面的光学元件，比如量子点的image sensor。

基于量子点的sensor的优点主要有：

1. 带隙连续可调，

2. 吸收谱设计范围广。可拓展红外波段

3. 感光单元体积小，柔性化和小型化容易

4. 工艺兼容性相对较好

Quantum Dot image sensor的相关工作还有挺多，甚至已经有了一些初步的产品。Researchers use quantum dots to create high resolution three-layer sensor: Digital Photography Review (dpreview.com)

相关工作还有：

Lee, J., Georgitzikis, E., Hermans, Y. et al. Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure. Nat Electron 6, 590–598 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01016-9[IMEC Pinned photodiode的量子点image sensor]

2. Bao, J., Bawendi, M. A colloidal quantum dot spectrometer. Nature 523, 67–70 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14576（量子点光谱仪）

3. Goossens, S., Navickaite, G., Monasterio, C. et al. Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photon 11, 366–371 (2017). https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.75（量子点+石墨烯 CMOS兼容）

4. Goossens, S., Navickaite, G., Monasterio, C. et al. Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photon 11, 366–371 (2017). https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.75（量子点 PVFET高频高增益的兼得）

5. Zeissler, K. Quantum dot image sensors scale up. Nat Electron 4, 861 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00701-x（介绍意法半导体展示300mm硅片上规模量产量子点SWIR图像传感器工作的报道）

6. Liu, J., Liu, P., Chen, D. et al. A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry. Nat Electron 5, 443–451 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00779-x（华为联合华中科技大学唐江团队做的量子点红外成像芯片）

借助新型材料的优势，在工艺兼容下实现性能提升和功能拓展

目前除了量子点外研究的材料还包括：二维材料，有机材料，纳米线等