20M像素高速高动态范围CMOS图像传感器关键技术研究

With the development of electronic information technology, CMOS image sensors have become the main method of the collection of digital image information, which have been widely used in such fields as smart phones and other portable devices, automotive electronics, internet of things, intelligent manufacturing, etc. Constantly increasing the resolution, conversion speed and dynamic range are the focuses of the research on CMOS image sensor during recent years, while the performance of image sensor depends on the circuits design and manufacturing technology. In the aspect of circuits, the range of pixel output voltage is limited by supply voltage while more conversion of photogenerated charge requires relatively low conversion gain of pixel, which reduces the discernibility of charge under the equivalent circuit noise, and thus limits the improvement of effective dynamic range. In addition, due to the increasing size of pixel array, the area of circuits is required to be increasingly shrink, which greatly limits the complexity of the circuits. The pixel size, the conversion speed and the dynamic range are mutually restricted, leading to relatively great challenges on the improvement of the overall performance of the sensor. As for the manufacturing technology, with the continuous decrease of pixel size, the non-ideal factors of the technology exert more limitations on the performance of the sensor. This project studies the new pixel structure and ADC structure, making it more adaptable for CMOS image sensor with high resolution, high speed and high dynamic range, and achieves 20M pixel high speed and high dynamic range CMOS image sensor combining with key technologies such as small pixel technology.

随着电子信息技术的发展，CMOS图像传感器已成为数字图像信息采集的主流，在智能手机等便携设备、汽车电子、物联网及智能制造等领域得到日益广泛应用。提高像素规模、转换速度及动态范围是近来图像传感器领域研究的重点和热点。图像传感器性能取决于电路设计和制造工艺。电路方面：像素输出电压范围受电源的限制，转换更多光生电荷需要降低像素转换增益，在同等电路噪声下降低了电荷分辨能力，从而限制有效动态范围的提高。像素阵列规模的增大，要求电路面积越来越小，极大限制了电路复杂度。像素规模、转换速度及动态范围三者相互制约，使传感器综合性能的提高面临挑战。工艺方面：随着像素尺寸不断减小，工艺非理想因素对传感器性能的制约愈加明显。本项目研究新的像素结构和模数转换结构，使其更加适宜于高像素、高速和高动态范围的传感器，同时结合对小尺寸像素工艺等关键技术的研究，实现20M像素高速高动态范围CMOS图像传感器。

信息技术与半导体制造业的飞速发展使得先进CMOS图像传感器技术成为数字图像采集系统的主流。近年来随着应用需求及消费市场的扩大，CMOS图像传感器的性能指标在不断提高，高分辨率、高动态范围、高帧率的CMOS图像传感器的研究与制造成为学术及工业界发展的必然趋势。典型的CMOS图像传感器系统包括像素阵列、内嵌模数转换器的列读出电路、数字后处理单元等模块，而高性能CMOS图像传感器的设计实现依赖于对上述功能模块的优化及创新。.本项目面向高性能CMOS图像传感器系统，对像素阵列、模数转换器以及读出电路、CMOS图像传感器整机进行了研究，并对设计结构进行了流片验证，相应的研究成果已经发表在国内外高水平会议/期刊，同时部分研究成果已经转化为实际工业界产品并进入消费市场。本项目主要研究内容总结如下：.1、适用于高分辨率、高动态范围图像传感器的像素结构研究。研究并实现了无浅沟槽隔离方案等适用于小尺寸、高灵敏度像素的技术方案，并对其先进配套工艺如高深宽比光刻胶技术等进行了研究。.2、适用于高性能图像传感器的读出电路研究。研究并实现了高性能列并行单斜坡模数转换电路，并对其中的关键模块如连续时间比较器，斜坡生成电路、列内计数器、前置预放大级等进行了深入研究并提出了创新结构，达到了更低的实现复杂度及功耗。.3、高分辨率、高动态范围、高帧率CMOS图像传感器整机研究。基于电路系统设计和相应的配套工艺研究，实现了一款32M分辨率0.7微米像素尺寸的高分辨率CMOS图像传感器，输出图像帧率为60fps，系统动态范围与先前市场产品相比增加约30%。.4、其它关键模块研究。对CMOS图像传感器中其它关键模块进行了理论分析以及设计实现验证，主要包括利用级联时间数字转换器提高读出电路转换速度的设计方法，长距离低功耗低面积高并行度数字信号传输电路，电容式读出电路噪声抑制方法等。