90纳米以下高性能CMOS图像传感器关键技术研究

基于90纳米以下工艺的高性能微小像素、像素内集成功能单元、千万以上超大像素阵列是目前CMOS图像传感器发展急待解决的三个基础问题，突破上述理论问题对图像传感技术发展具有重要的意义。本项目从理论和实验上开展以下研究：在分析小尺寸工艺下像素噪声产生机理与建立完善模型的基础上，研究像素中采用层叠二极管的高信噪比光生电荷收集、转移与存储的理论、模型与电路；通过像素内集成功能单元实现低噪声并行曝光、大动态范围像素的理论、模型与电路；千万以上超大像素阵列驱动和低电源电压条件下像素信号读出机理与电路实现。最终建立完善的90纳米以下CMOS图像传感器理论模型，完成核心像素阵列与读出电路的理论研究、工艺与电路设计，在高信噪比微小像素、低噪声并行曝光大动态范围像素和超大像素阵列技术上取得创新性成果。从基础上突破纳米级CMOS图像传感器发展瓶颈，为新一代高性能图像传感器的发展提供可行性理论指导和技术方法。

本项目基于90nm以下工艺研究光生电荷收集和转移理论，以90nm以下工艺像素RTS噪声机理研究为核心，建立精确的传感器噪声模型，利用90nm以下工艺像素内部可集成性提高的优势，通过存储单元集成从根本上改变电荷储存转移的机理，并以此为基础，实现全并行曝光、动态范围扩展等新工作模式。针对90nm以下工艺，解决超大像素阵列、小尺寸像素条件下的像素驱动能力不足的问题。在微小像素中高信噪比光生电荷收集与转移的理论和方法方面：课题组针对有源像素模型、超低压应用CMOS像素结构、像素噪声模型、背照式像素结构和串扰及电荷转移等开展研究。提出一种沟道区域电势梯度分布的优化设计方法，用以提高电荷转移效率、减小图像拖尾等问题；基于电子发射理论，针对钳位光电二极管电荷传输模型，提出一种判断电荷是否完全转移的测试方法；针对微小像素阱容量偏低的问题，提出一种改进型的纵向扩展阱容量的钳位光电二极管结构；针对4T像素内源跟随器的RTS噪声，利用蒙特卡洛方法基于其时域特性建立了统计模型；针对微小像素感光面积偏低的问题，提出一种1T有源像素结构，大幅提高像素的填充因子；针对低光照条件下应用的大感光面积像素结构，提出了通过增加一次P型杂质注入在PPD内建立内建电场的方法来提高像素转移效率和满阱容量。在低噪声全局曝光和大动态范围像素的机制与方法方面：课题组提出了一种传输栅电压可调结构的4T像素结构实现光生信号在像素内的融合，来扩展图像传感器动态范围；针对基于时域的PWM像素，提出了一种利用可编程电流控制阈值技术的动态比较方法，提高了传统数字像素的填充因子和动态范围；针对小尺寸工艺的特性，提出了一种在像素内部集成电荷临时存储单元的结构，降低电路复杂度，从而极大降低电路整体功耗；以超大像素阵列和高帧频为应用背景，提出了一种紧凑式的读出机制，从而提高基于多次曝光扩展动态范围的传感器性能。在千万以上超大像素阵列及其信号读出方面：课题组提出并设计了一种可以消除电源IR降落影响的电流偏置电路；提出一种利用开关电容方式取代传统电流镜金属线直连方式的电路结构，降低了电源IR-drop对读出信号的影响；另外还提出一种采用电流信号作为信号载体的采样保持电路用以避免IR-drop问题；针对小尺寸工艺下电压摆幅缩小而造成信噪比降低等问题，提出一种基于CMOS图像传感器列级ADC的数字双采样方法，简化列级模拟电路,减小了电路功耗。