Nieuws

De ontwikkeling van CMOS beeldsensoren en het perspectief op het gebruiken van geavanceerde weergavetechnologieën belooft om de levenskwaliteit te verbeteren. Met de snelle totstandkoming van parallelle analoge-digitaal convertor (ADC) en de achtereind verlichte technologieën (van bi), CMOS overheersen de beeldsensoren momenteel de digitale cameramarkt, terwijl de gestapelde CMOS beeldsensoren verbeterde functionaliteit en gebruikerservaring blijven verstrekken. Dit document herziet recente verwezenlijkingen van gestapelde beeldsensoren in de evolutie van de architectuur van de beeldsensor om de prestatiesverbeteringen te versnellen, het ontdekken mogelijkheden uit te breiden, en rand te combineren gegevens verwerkend met diverse gestapelde apparatentechnologieën.
De beeldsensoren worden momenteel gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen. Sinds de uitvinding van de Charge Coupled Device (CCD) in 1969, hebben de beeldsensoren in vaste toestand aan een verscheidenheid van markten van de consument, zoals compacte videocamera's en digitale camera's uitgespreid. De CMOS beeldsensor, die de heersende stromingsbeeldsensor in vaste toestand die sinds 2005 is geweest, bouwt op de technologie voort voor CCDs wordt ontwikkeld. Naast smartphones, momenteel de grootste markt van de beeldsensor, breidt de vraag naar beeldsensoren zich snel uit om netwerkcamera's voor veiligheid, beeldverwerking voor industrie automatisering, en automobielcamera's voor het bijgestane drijven en autonome drijfsystemen te omvatten.
Een belangrijk keerpunt in CMOS de technologie van de beeldsensor was de succesvolle ontwikkeling van achtereind-verlichte het beeldsensoren (van bi), die de ontwikkeling van gestapelde structuren van beeldsensoren, zoals aangetoond in Figuur 1 toelieten. In de originele voor-verlichte structuur (van FI), was het moeilijk om de pixelgrootte van de sensor te verminderen omdat het inherente die licht door de fotodiode door een hiaat moest worden verzameld door metaallijnen wordt omringd. Hebben de achtereind verlichte structuren (van bi) zeer gevoeligheid verbeterd en flexibiliteit in metaal het verpletteren toegestaan, en het is een populair product voor beeldsensoren toe te schrijven aan wafeltje het plakken en uiterst eenvormige wafeltje het verdunnen technieken geworden. De beeldsensoren ontwikkelen zich geleidelijk aan naar gestapelde structuren, waarin de logicakringen op het basiswafeltje direct geïntegreerd zijn. Het het stapelen procédé staat voor een hoger niveau van integratie van hoogst parallelle analoge-digitaal convertors (ADCs) en de elementen van de signaalverwerking in geavanceerdere die CMOS processen, onafhankelijk van het sensorproces voor de pixelfotodiodes wordt aangepast toe. De gestapelde apparatenstructuren blijven de architectuur van de beeldsensor dramatisch veranderen.

Figuur 1. Structuur van een CMOS beeldsensor. (a) FI-structuur, (b) bi-structuur, en (c) gestapelde structuur met vias.
Dit document herziet tendensen in de architectuur van de beeldsensor met gestapelde apparaten om de prestatiesverbeteringen beduidend te versnellen, het ontdekken mogelijkheden uit te breiden, en die rand gegevensverwerkingsmogelijkheden te integreren met de sensorlaag worden verbonden. De tweede sectie stelt verschillende sensorarchitectuur voor gestapelde apparatenconfiguraties die voor hoge pixelresolutie en hoge framesnelheidweergave door hoogst parallelle kolom-parallel ADCs toelaten. Sectie 3 stelt sommige geavanceerde uitgevoerde pixelkringen voor gebruikend pixel-hoogte Cu-Cu-verbindingen die voor betere pixelprestaties bij praktische pixelresoluties kritiek zijn. Pixel-hoogte Cu-Cu-de verbindingen laten ook sensorarchitectuur aan beweging naar pixel-parallelle digitalisering toe. Sectie IV stelt sommige vooruitgang in sensorarchitectuur die voor het ontdekken mogelijkheden, zoals ruimtediepte uitbreidt, tijdelijk contrast ontdekkend, en onzichtbare lichte weergave. Sectie V introduceert visiesensoren die kunstmatige intelligentie (AI) versnellers bij de rand integreren. Tot slot geeft Sectie VI sommige conclusies.
II. opname met over megapixelfilms
De filmopname vereist een framesnelheid minstens 30 of 60 frames per seconde (fps), alhoewel het aantal pixel van het 2 megapixel high-definition (HD) formaat tot het 8 megapixel4k formaat stijgt. Bovendien, kan de hogere framesnelheidverrichting, zoals 120, 240 of 1000 frames per seconde (fps), slow-motion playback verstrekken. Aangezien de kolom-parallelle ADC architectuur in 1997 werd voorgesteld, hebben de framesnelheden door het aantal parallelle ADCs te verhogen en de ADC verrichting zelf te versnellen verbeterd. De gestapelde structurenhulp maximaliseert framesnelheden aangezien de beste procestechnologie op sensorpixel en randapparatuur kan worden toegepast. De sensorvervaardiging vereist verscheidene ionenimplantatieprocessen om fotodiodes en transistors met lage verbindingslekkage te vormen. Nochtans, vereist het logicaproces lage weerstand en hoge snelheidstransistors. Voor pixel, volstaan drie of vier lagen van bedrading gewoonlijk, maar ongeveer tien lagen van bedrading worden vereist voor logicakringen. De het stapelen gebruikte techniek kan de tegenstrijdige beperkingen van niet-gestapelde beeldsensoren op dezelfde spaander, met inbegrip van sensorpixel en logicakringen verminderen.
A. dubbele Weelderige ADC Architectuur
Momenteel, omvatten de meeste CMOS beeldsensoren een serie van pixel, duizenden ADCs en georganiseerde logicakringen in een kolom-parallelle structuur. Zoals aangetoond in Figuur 2 (a), wordt gevestigd verbinden door-siliciumvias (TSVs) buiten de pixelserie de pixelkolommen met ADC op een hoogst parallelle manier die. In de eerste gestapelde die CMOS beeldsensor in 2013 wordt geïntroduceerd, werden de analoge en digitale delen van de kolom ADC verdeeld in bovenkant en bodemspaanders, respectievelijk, zoals aangetoond in Figuur 2 (B). In 2015, werd een dubbel-kolomadc architectuur voorgesteld en bereikte een framesnelheid van 120 fps bij 16M pixel, waar de kolom ADC volledig werd verplaatst naar de bodemspaander, zoals aangetoond in Figuur 2 (c). De sensorspaander wordt vervaardigd gebruikend een 90nm-proces van de sensordouane voor fotodiodes, gebruikend slechts NMOS logica. De logicaspaanders worden vervaardigd gebruikend een standaard 65 nanometercmos proces. Aangezien de kolom ADC onafhankelijk van de sensorspaander kan worden uitgevoerd, kan ADC hoogst worden geïntegreerd. Naast het verhogen van de framesnelheid, overtollige parallelle worden ADCs gebruikt om lawaai te verminderen door van veelvoudige analoge-digitaal (ADVERTENTIE) omzettingen, zoals aangetoond in Figuur 3 het gemiddelde te nemen. De output van één pixel wordt gelijktijdig verstrekt aan twee ADCs, en de twee digitale output wordt opgeteld om het beeldkader te reproduceren. De timingsfasen van twee ADCs zijn lichtjes verschillend om lawaaivermindering te bereiken door de correlatie tussen hun lawaaierige signalen te verminderen.

Figuur 2. Implementatie van een gestapelde CMOS beeldsensor. (a) TSV-verbinding tussen fotodiode en logicakring. (b) de eerste gestapelde CMOS beeldsensor. (c) dubbel-weelderige ADC architectuur.

Figuur 3. Vereenvoudigd (verlaten) blokdiagram en betere (juiste) lawaaikenmerken van een dubbel-weelderige ADC architectuur.
B. stapelde Three-layer CMOS beeldsensor met dynamic random access memory (BORREL)
Aangezien het aantal pixel en parallelle ADCs stijgt, de outputhopen van beeldsensoren gegevens. In 2017, werd een drie-laag gestapelde CMOS beeldsensor voorgesteld om slow-motion video bij 960 fps, zoals aangetoond in Figuur 4 te registreren; de drie die lagen worden verbonden door door-siliciumvias (TSVs), en het gegeven uit parallelle ADC wordt verkregen is als buffer opgetreden voor in de tweede laag van BORREL om langzame motie te bereiken vangt. Voor super slow-motion opname, kan de sensor bij 960 fps bij volledige HD-resolutie lopen terwijl het digitale gegeven van ADC tijdelijk voor in BORREL over een 102-Gbit/s-bus als buffer op is getreden. Wanneer de sensor gebruikerstrekkers of snelle motie in de scène tijdens 30 fpsfilm het schieten ontdekt, wordt de lezensnelheid 960 fps. Tot 63 kaders van volledige HD-resolutie kunnen in BORREL in een tijd worden opgeslagen en de als buffer opgetreden voor gegevensoutput tijdens verdere film vangt.

Figuur 4. Drie-laag gestapelde CMOS beeldsensor met BORREL
C. Voor Grote Optische Formaat spaander-op-Wafeltje Technologie
De gestapelde CMOS tot op heden geïntroduceerde beeldsensoren worden vervaardigd in wafeltje-op-wafeltje (wauw) proces een plakkend. Nochtans, aangezien de afmetingen van de sensor en logicaspaanders hetzelfde moeten zijn, is dit proces niet altijd de beste keus, vooral voor een groot optisch formaat. Een andere die methode stapelen impliceert Koe het plakken, zoals aangetoond in getoonde Figuur 5. De gebiedsefficiency is best in wauw het plakken wanneer een logicaspaander van dezelfde grootte zoals het optische formaat volledig met hoogst parallelle ADCs en digitale bouwstenen wordt gevuld. Nochtans, als de logicakring kleiner is dan het optische formaat, heeft de Koeconfiguratie de beste gebiedsefficiency, terwijl de wauw configuratie kwesties heeft gekost.

Figuur 5. Gebiedsefficiency van wauw en Koeprocessen plakkend voor de grote optische sensoren van het formaatbeeld.
Een gestapelde CMOS beeldsensor die Koeproces plakkend [12] gebruiken werd gemeld in 2016, realiserend een globale sensor van het blindbeeld voor uitzendingscamera's met een optisch formaat van super-35 mm. Hier, worden twee gesneden logicaspaanders ontworpen in een proces van 65 NM CMOS met parallelle ADCs en microbumps en op een grote die sensorspaander voor globale blindpixel wordt douane-ontworpen, gestapeld zoals aangetoond in Figuur 6. Een verwijderde logicaspaander met een hoge beeldverhouding wordt aangesloten aan de sensor via microbumps met een hoogte van 40 µm. Daarom is het totale aantal verbindingen ongeveer 38 000. De sensor staat ook voor super slow-motion playback toe bij 480 fps via 8 megapixels.

Figuur 6. Gestapelde CMOS beeldsensor die Koeproces gebruiken plakkend.
Figuur 7 toont prestatiestendensen voor de grote sensoren van het optisch-formaatbeeld, met 50 megapixels en 250 fps voor de sensoren van het volledig-35-mm-formaatbeeld in 2021. Om het aantal parallelle ADCs te verhogen en oplopend de buffer statische van het random access memory (SRAM) kader te verhogen, wordt het wauw proces gebruikt om hoge prestaties te bereiken. Anderzijds, wordt het Koeproces gebruikt aan de efficiency van saldokosten met de prestaties van grote optisch-formaatsensoren. Ook geïntroduceerd in 2021 wordt een sensor van het 3,6 duimbeeld met 127 miljoen pixel en logica vier breekt gestapeld gebruikend een Koeproces af. De volgende uitdaging voor het Koeproces is de productie van spaanderplaatsing op het wafeltje te verhogen om productiviteit te verhogen.

Figuur 7. Prestatiestendensen voor de grote optische sensoren van het formaatbeeld.
III. pixel Parallelle Architectuur
In de vorige afdeling, werd de sensorarchitectuur die gestapelde apparaten met behulp van hoofdzakelijk gebruikt om de framesnelheid van de kolom-parallelle ADC gebaseerde architectuur te verhogen. Deze sectie stelt sommige die vooruitgang voor op pixel-parallelle architectuur wordt gebaseerd gebruikend de verbindingen van fijn-hoogte Cu-Cu. Hier, zijn de verbindingen tussen de sensor en de logicalagen veranderd van TSVs aan verbindingen Cu-Cu hybride-in entrepot, zoals aangetoond in Figuur 8 (a). In een TSV-configuratie, worden de signaallijnen verpletterd aan de logicalaag op de periferie van de pixelserie. In tegenstelling, kunnen de verbindingen Cu-Cu direct onder het pixel worden geïntegreerd, en deze verbindingen staan toe om het aantal verbindingen te verhogen. De recentste tendensen betreffende verbinding Cu-Cu het uit elkaar plaatsen worden getoond in Fig. 8 (B). Het hybride proces plakkend van beeldsensoren vereist miljoenen verbindingen Cu-Cu zonder verbindingstekorten, terwijl contact het uit elkaar plaatsen geleidelijk aan met de stabiele verbinding van een groot aantal contacten vermindert; voorts 1µm is Cu-Cu onlangs het gemelde Hybride band uit elkaar plaatsen geweest. Deze fijn-hoogteverbindingen zullen toelaten datparallelle kringsarchitectuur worden vervaardigd bij praktische pixeldimensies.

Figuur 8. Cu-Cu het apparatenstructuur en (b) dwarsdoorsnede van verbindings uit elkaar plaatsende tendensen (a) vereenvoudigde.
A. de gestapelde uitbreiding van de pixelkring
De talrijke technieken en implementaties zijn voorgesteld in de literatuur om pixelprestaties heel goed te verbeteren door de uitbreiding van de pixelkring, zoals capaciteit (FWC), en extra functies, zoals globaal blind uit te voeren. Figuur 9 (a) en (b) tonen de pixelconfiguratie voor enige omzettingsaanwinst en dubbele omzettingsaanwinst, respectievelijk. De kleinere capacitieve CFDs-ervaringshoogspanning slingert van opto-elektronica voor lezen met geringe geluidssterkte, maar het wordt gemakkelijk verzadigd door een groot aantal signaalelektronen. Nochtans, worden de pixel met dubbele conversieaanwinsten geschakeld door opeenvolgende verrichting tussen de twee omzettingsaanwinsten, toelatend lezingen met geringe geluidssterkte op CFD en hoge dynamisch bereik (HDR) lezingen op CDCG; bovendien worden de gebiedsoverheadkosten van extra transistors en resolutie van het condensatoren de Hoge pixel bereikt door het bedrag te beperken dat de pixelgrootte kan worden verminderd. In 2018, werd een gestapelde uitbreiding van de pixelkring met dubbele omzettingsaanwinst voorgesteld; de extra kringen werden uitgevoerd op de bodemspaander door pixel-parallelle verbindingen Cu-Cu, zoals aangetoond in Fig. 9 (c). Door tussen omzettingsaanwinsten van 20 en 200 µV/e- te schakelen, werd een 1.5µm pixel met succes getoond met een dynamisch bereik van 83,8 dB en met geringe geluidssterkte van 0,8 e-rms. Zoals aangetoond in Figuur 10, is de pixel-vlak gestapelde kringsconfiguratie toegepast op de voltage-domein globale blindfunctie en het pixel met dubbele omzettingsaanwinst. 2019 toonde een 2,2 µm globaal blindpixel met een blindefficiency van aan meer dan 100 dB. De overzichtspixel met van de dubbele conversieaanwinst en voltage-domein globaal blind bereiken pixelgrootte van 0,8 µm en 2,3 µm, respectievelijk, zonder hetvlakke het stapelen kring schrapen; nochtans, zouden de gestapelde pixelconfiguraties nog moeten pixelprestaties voor kleinere pixel verbeteren.

Figuur 9. De configuraties van de pixelkring (a) met enige omzettingsaanwinst, (b) met dubbele omzettingsaanwinst, en (c) met dubbele omzettingsaanwinst en gestapelde pixel met parallelle verbindingen Cu-Cu.

Figuur 10. De configuratie van de pixelkring van gestapeld een voltage-domein globaal blind via pixel-parallelle verbindingen Cu-Cu.
B. pixel Parallelle ADC
Aangezien het concept pixel-parallelle digitalisering in 2001 werd voorgesteld, zijn de pixel-parallelle Cu-Cu-Verbonden gestapelde beeldsensoren met hybride processen plakkend ook voorgesteld. De overheadkosten van het binnen-pixelgebied in complexe kringen beperken absoluut pixelresolutie, maar in 2017 werd een 4,1 megapixel gestapelde beeldsensor met een serie-parallelle ADC architectuur voorgesteld, gevolgd in 2018 door 1,46 megapixel parallelle ADC gestapelde de beeldsensor. De pixel-parallelle ADC architectuur heeft Mpixel-resolutie toe te schrijven aan de fijne verbindingen van hoogte Cu-Cu van het hybride proces plakkend bereikt. Zoals aangetoond in Figuur 11, wordt de enig-helling ADCs gebruikt in pixel-parallelle en traditionele kolom-parallelle architectuur, maar zonder bronaanhangerkringen. De versterkers van de in-pixeltransistor zijn direct geïntegreerd in de comparateurs, die elk pixel verbinden met de bodemspaander via twee verbindingen Cu-Cu. wegens de gebiedsbeperking van de teller, wordt de Grijze code toegewezen aan in-pixelklinken, en de digitale lezenpijpleidingen zijn uitgevoerd gebruikend ADCs onder de pixelserie.

Figuur 11. Kringsconfiguratie van pixel-parallelle ADC.
Figuur 12 (a) toont een prototypespaander met een pixel-parallelle ADC architectuur; hoewel elke ADC met een pixelhoogte van slechts 6,9 µm wordt uitgevoerd, waar de rustige stroom van de comparateur tot Na 7,74 beperkt is, de lawaaivloer toe te schrijven aan efficiënte die bandbreedtecontrole aan 8,77 e−rms wordt onderdrukt. Alle pixel-parallelle ADCs werken gelijktijdig als globaal blind; daarom zoals aangetoond in Figuur 12 (c), wordt geen vervorming van het rolling shutter brandpuntsvliegtuig zoals aangetoond in Figuur 12 (B) waargenomen in gevangen beelden gebruikend het prototype. De pixel-parallelle ADC architectuur blijft worden ontwikkeld. Het meest recente werk in 2020 toont een pixelhoogte van 4,6 µm, een dynamisch bereik van 127-dB, en een lawaai van 4.2e−rms, en het werk van 4,95 µm en een lawaai van 2.6e−rms.

Figuur 12. Op-spaanderimplementatie van pixel-parallelle ADC. (a) micrograaf van de spaander. (b) gevangen beelden gebruikend rolling shutterverrichting en (c) gebruikend globale blindverrichting.
C. Teller van het pixel de Parallelle Foton
Is de foton tellende die weergave, ook als quantumweergave wordt bekend, een veelbelovende techniek want toelatend beeld met noise-free lezen en hoge dynamisch bereikweergave vang (HDR). De foton-tellende beeldsensoren die de dioden van de enig-fotonlawine gebruiken (SPADs) zijn één van de uitdagingen van pixel-parallelle digitalisering door het stapelen van technieken. De lawinestroom wordt teweeggebracht door één enkel foto-elektron, en bij gebrek aan om het even welk lawaai van het analoge front-end schakelschema, kan de gebeurtenis digitaal als fotontelling worden bekeken. Dit vereist de implementatie van complexe kringen voor elke SPAD; terwijl gestapeld apparatenstructuren met pixel hebben de verbindingen het potentieel voor hoogst geïntegreerde foton tellende weergave.
Een foton-tellende het beeldsensor van SPAD met een dynamisch bereik van 124 dB en het gebruiken van een subframe die architectuur extrapoleren werd gemeld in 2021. Een achtereind-verlichte van de het enig-fotonserie lawine (van bi) van het de diode (SPAD) pixel wordt gestapeld op de bodemspaander, en het lezenschakelschema wordt verbonden via pixel-parallel Cu-Cu, zoals aangetoond in Figuur 13 (a). Fig. 13 (B) is een schematisch diagram van een pixeleenheid. Elk pixel heeft een digitale de rimpelingsteller van 9 B (CN) die het aantal inherente fotonen telt. De overstroming draagt (VAN) van de teller is teruggekeerd naar dooft kring om de SPAD-activering te controleren en de timingscode (TC) te sluiten. Een 14 B-timingscode (TC) wordt dan toegewezen aan alle pixel en met voeten treedt de teller wanneer VAN vlagveranderingen, zoals aangetoond in het timingsdiagram in Figuur 14. Lees 9 B-tellingen van fotonen voor of sloot 14 B TCs en verkrijgen nauwkeurig alle fotontellingen in lage lichte voorwaarden zonder tegenoverstroming. Nochtans, wanneer de tegenoverstromingen in heldere lichte voorwaarden, het overlopende pixel de tijd registreert en het daadwerkelijke aantal inherente fotonen door de blootstelling extrapoleert.

Figuur 13. Sensor van het foton de tellende beeld. (a) spaanderconfiguratie. (b) vereenvoudigd pixelschakelschema.

Figuur 14. Timingsdiagram voor foton het tellen en subframe extrapolatie.
Zoals aangetoond in Figuur 15 (a), is een dynamisch bereik van 124 dB aangetoond zonder enige degradatie in signal-to-noise verhouding (SNR). SNR na tegenoverstroming in de heldere lichte omstandigheden blijft bij 40 dB over het uitgebreide dynamische bereik, aangezien de ware foton tellende verrichtingen tot 10 240 fotonen, of 9 beetjes× 20 subframes kunnen tellen. Figuur 15 (B) toont een HDR-beeld bij 250 fps wordt gevangen die; wegens globaal blind en 20 subframe de verrichting van HDR, werden geen motieartefacten waargenomen zelfs met een roterende ventilator van 225 t/min. De 20 subframeextrapolatie onderdrukt effectief motieartefacten, zoals aangetoond in Fig. 15 (c). SPAD vereist een hoog bias voltage van ongeveer 20 V en pixel-vergelijkt het teweegbrengen van de detectors bij een laag leveringsvoltage. SPAD-de pixel met kleine hoogten zijn vaak moeilijk om wegens apparatenisolatie tussen verschillende leveringsvoltages te bereiken. Nochtans, scheidt de gestapelde apparatenstructuur effectief de de logicalagen van SPAD en CMOS, daardoor versnellend de ontwikkeling van kleine pixelconfiguraties met SPAD en uitgebreide functionaliteit.

Figuur 15. Meetresultaten van foton het tellen. (a) dynamisch bereik en signal-to-noise verhouding. (b) gevangen HDR-beeld. (c) gevangen beeld met de afschaffing van het motieartefact.
IV. uitbreiding van het Ontdekken van Vermogen
Naast het eerder geïntroduceerde dynamische bereik en de globale blindmogelijkheden, verbetert de gestapelde apparatentechnologie niet alleen de beeldkwaliteit van de sensorarchitectuur, maar ook verbetert het ontdekken mogelijkheden zoals ruimtediepte, tijdelijk contrast ontdekkend, en onzichtbare lichte weergave.
A. ruimtediepte
Zoals beschreven in Sectie IIIC, is de gestapelde apparatenstructuur met het hybride plakken Cu-Cu een veelbelovende benadering voor praktische SPAD-technologie in een brede waaier van toepassingen en vermindert de SPAD-pixelhoogte tot minder dan 10 µm. Om de efficiency van de fotonopsporing te verbeteren (PDE) en optische overspraak met kleine pixelhoogte te verminderen, werd een het pixelserie van bi SPAD met inbegrip van volledige geulisolatie (FTI) en het plakken Cu-Cu gemeld in 2020. Zoals aangetoond in Figuur 16, in de bi gestapelde SPAD-structuur, is de SPAD-pixelserie volledig open aan inherent licht, en alle pixeltransistors worden uitgevoerd op de bodemspaander. Onderdrukt de metaal begraven FTI-hulp overspraak met aangrenzende pixel. De 10µm hoogtespad pixel kenmerken een 7-µm-dikke siliciumlaag om de gevoeligheid van near-infrared de spectroscopiemetingen (van NIR) te verbeteren en hoge PDEs van meer dan 31,4% en 14,2% te bereiken bij 850 NM en 940 NM, respectievelijk.

Figuur 16. SPAD-apparatenstructuur. (A) FI SPAD. (b) bi-gestapelde SPAD.
In 2021, worden 189 × 600 de tijd-van-vlucht van SPAD directe (ToF) sensor die een bi-Gestapelde SPAD gebruiken gemeld voor automobiellidar systemen. Alle pixel front-end kringen worden uitgevoerd in de onderliggende spaander onder de SPAD-serie, zoals aangetoond in Figuur 17. In een LiDAR systeem, wanneer een weerspiegelde laserimpuls wordt ontvangen, produceert SPAD een trekkerimpuls met een dode tijd van 6 NS en brengt het aan een tijd-aan-digitale convertor (TDC) over. De bovenkant en bodemspaanders gebruiken 90 NM SPAD en 40 processen van NM CMOS met 10 koperlagen, respectievelijk. wegens de gestapelde structuur, omvat de sensor een kring van de toevalsopsporing, een TDC en een digitaal signaalbewerker (DSP) als bouwstenen voor diepte het ontdekken. De directe ToF-sensor stelt een afstandsnauwkeurigheid van 30 cm over een uitgebreide waaier van zelfs 200 m tentoon, toelatend het om voorwerpen met 95%-reflectievermogen in zonlicht bij 117k Lux te ontdekken.

Figuur 17. Bi gestapelde SPAD met directe ToF-dieptesensor.
De bi gestapelde SPAD-structuur is een doorbraak in op SPAD-Gebaseerde weergave en diepte ontdekkend met betere eigenschappen. De bi-stapelstructuur verbetert quantumefficiency en scheidt SPADs en de kringen in optimale siliciumlagen in vergelijking met conventionele pixel die de kringen naast elke SPAD plaatsen. Daarom overwint de gestapelde implementatie de traditionele beperkingen van SPAD-sensoren en is geschikt voor een bredere waaier van toepassingen.
B. tijdcontrast het Ontdekken
De op gebeurtenis-gebaseerde visiesensoren (EVS) ontdekken hierboven vooraf ingesteld van het enig-pixel tijdelijke contrast relatieve drempels om de tijdelijke evolutie van relatieve lichte veranderingen te volgen en bemonsteringspunten voor frameless pixel-vlakke metingen van absolute intensiteit te bepalen. Aangezien EVS eerst in 2006 werd gemeld, zijn vele toepassingen die EVS gebruiken voorgesteld, zoals hoge snelheid en low-power beeldverwerking toe te schrijven aan de tijdelijke precisie van geregistreerde gegevens, inherente afschaffing van tijdelijke overtolligheid die tot lagere post-verwerkt kosten leiden en een brede waaier van in-scenario's. DR. verrichting. Hoewel de pixelgrootte tot hoogte 9 µm in 2019 door bi-structuren werd verminderd, lijdt EVS aan grote pixelgrootte en vaak kleine resolutie toe te schrijven aan uitgebreide pixel-vlakke analoog signaalverwerking. Daarom het voordeel van EVSs in het bijzonder van vooruitgang in gestapelde apparatenstructuren met pixel-schaal Cu-Cu-verbindingen.
1280 × 720 4.86µm pixel hoogte bi-Gestapelde EVS werden gemeld in 2020. Figuur 18 toont het diagram van het pixelblok van de functie van de contrastopsporing (CD) en een schematisch diagram van de van het in-pixel asynchrone lezen de interface en van de staat logicablokken. Photocurrent wordt omgezet in een voltagesignaal, Vlog, en de contrastverandering wordt verkregen door asynchrone delta ontdekte modulatie (ADM) gebruikend een spoorwegovergangcomparateur. Bi-Gestapelde EVS in Figuur 19 (a) bereikt rij-vlakke timestamps 1-µs, een maximumgebeurtenistarief van 1,066 miljard gebeurtenissen per seconde (eps), en een gegevens formatterende pijpleiding van 35 nW/pixel en 137 pJ/event voor hoge snelheid, low-power toepassingen van de beeldverwerking. Figuur 19 (B) toont sensorverrichting voor sommige voorbeeldtoepassingen. De opnamen van de verkeersscène rond 1 Lux tonen low-light contrastgevoeligheid aan. De hoge tijdelijke nauwkeurigheid van laag-latentiepixel en de verrichtingen van het hoge snelheidslezen staan de sensor toe om tijd-gecodeerde gestructureerde lichte patronen in 3D diepte het ontdekken toepassingen te decoderen. Figuur 20 toont de tendens van pixelhoogte in EVS. wegens gestapelde apparatentechnologie, is de pixelgrootte van EVS nu onder hoogte 5 µm voor praktische use case megapixels.

Figuur 18. Het diagram van het pixelblok van EVS

Figuur 19. Bi-gestapelde EVS en zijn toepassingsvoorbeeld. (a) micrograaf van de spaander. (b) toepassingsvoorbeelden.

C. onzichtbare lichte weergave
De gestapelde apparatentechnologie vergemakkelijkt ook onzichtbare lichte weergave gebruikend niet-siliciumfotodetectoren in hybride integratie. De voorbeelden van niet-siliciumfotodetectoren met hybride integratie omvatten InGaAs-fotodetectoren, fotodetectoren GE-op-Si, en organische fotoconductieve films. In deze sectie, worden de recente resultaten van InGaAs-sensoren die het hybride plakken Cu-Cu gebruiken samengevat.
De vraag naar weergave in de korte golf infrarode (SWIR) waaier (d.w.z. golflengten tussen 1000 en 2000 NM) is voor industriële, wetenschappelijke, medische en veiligheidstoepassingen gestegen. De InGaAsapparaten zijn gebruikt in SWIR-sensoren omdat hun absorptieeigenschappen in de SWIR-waaier niet door op silicium-gebaseerde apparaten kunnen worden behandeld. In conventionele InGaAs-sensoren, wordt elk pixel van de fotodiodeserie (PDA) verbonden met een lezengeïntegreerde schakeling (ROIC) via een tik-spaander hybride gebruikend builen. Deze structuur compliceert typisch de vervaardiging van de series van het fijn-hoogtepixel toe te schrijven aan beperkte scalability van builen. In 2019, werd een InGaAs-beeldsensor geïntroduceerd waarin elk 5µm pixel van PDA met ROIC gebruikend het plakken Cu-Cu werd verbonden. InGaAs/InP werden de heterostructuren epitaxially gekweekt op kleine in de handel verkrijgbare InP-substraten met diameters minder dan 4. Zoals aangetoond in Figuur 21, zijn epitaxial InGaAs/InP-wafeltjes gedobbeld en overgebracht in spaanders naar grote siliciumwafeltjes die IIIV een matrijs-aan-silicium proces gebruiken. Na vervaardiging van de Cu-stootkussens, gebruikt iii-V/Si heterowafer het plakken Cu-Cu om elk IIIV pixel met ROIC met de ROIC-mengeling te verbinden. Figuur 22 toont de tendens van de contacthoogte voor tik-spaander builen en het plakken Cu-Cu voor InGaAs-sensoren. Tik-spaander de hybride die builen, de traditionele methode gebruiken om InGaAs-sensoren te vervaardigen, is niet geschikt om de pixelhoogte te verlagen toe te schrijven aan smalle procesmarges en slechte herhaalbaarheid. Nochtans, is de kruising Cu-Cu gebruikt voor massaproduktie van CMOS beeldsensoren met hoge opbrengsten sinds 2016 en geweest een zeer belangrijke technologie voor het schrapen onderling verbindt aan InGaAs-sensoren. Figuur 22 toont ook een voorbeeld van een toepassing die inspectie en veiligheids controle in een mistig scenario impliceren. Aldus, InGaAs-laten de beeldsensoren de weergave van HD SWIR door pixel-vlakke verbindingen Cu-Cu toe.

Figuur 21. Het diagram van de processtroom voor InGaAs-de vervaardiging van de beeldsensor.

Figuur 22. Van het tik-spaander de hoogtetendensen builcontact en toepassingsvoorbeelden voor het plakken Cu-Cu en InGaAs-sensoren.
V. Slimme Visiesensoren
De vraag naar cameraproducten met AI verwerkingsmogelijkheden groeit in Internet van Dingen (IoT) markt, kleinhandels, slimme steden, en gelijkaardige toepassingen. AI de verwerkingscapaciteit op dergelijke randapparaten kan enkele kwesties behandelen in verband met zuivere wolk gegevensverwerkingssystemen, zoals latentie, wolkenmededelingen, verwerkingskosten, en privacyzorgen. De marktvraag naar slimme camera's met AI verwerkingsmogelijkheden omvat kleine grootte, lage kosten, lage machtsconsumptie, en gemak van installatie. Nochtans, de conventionele CMOS output van beeldsensoren slechts de onbewerkte gegevens van het gevangen beeld. Daarom wanneer het ontwikkelen van een slimme camera met AI verwerkingsmogelijkheden, is het noodzakelijk om ICs te gebruiken die de bewerker van het beeldsignaal (ISP), kronkel neurale netwerk (CNN) verwerking, BORREL, en andere mogelijkheden omvatten.
Een gestapelde CMOS beeldsensor die uit 12,3 megapixels en een DSP gewijd aan CNN-berekening bestaan werd gemeld in 2021. Zoals aangetoond in Figuur 23, bevat de sensor een geïntegreerde oplossing met volledig beeld vangt overdracht aan de CNN-gevolgtrekkingsbewerker en kan bij 120 fps, met inbegrip van beeld worden verwerkt vangt gebruiken 4,97 TOPS/W DSP en op-spaandercnn verwerking. Het verwerkingsblok heeft ISP voor CNN het ingevoerde die voorbewerken, een DSP-subsysteem voor CNN-verwerking wordt geoptimaliseerd, en een 8-MB L2 SRAM voor het opslaan van CNN-gewichten en runtime geheugen. Figuur 24 toont sommige voorbeelden van CNN-gevolgtrekkingsresultaten gebruikend MobileNet v1. Het DSP-subsysteem toonde gelijkaardige gevolgtrekkingsresultaten aan TensorFlow aan. De slimme visiesensoren kunnen het volledige CNN-gevolgtrekkingsproces op de sensor in werking stellen, en kunnen output de gevangen beelden als onbewerkte gegevens en CNN-gevolgtrekkingsresultaten in hetzelfde kader door de MIPI-interface. De sensor steunt ook output van CNN-gevolgtrekkingsresultaten slechts van de SPI-interface om kleine camera's toe te laten en de consumptie van de systeemmacht en kosten te drukken. De CNN-gevolgtrekkingsbewerker op de sensor staat gebruikers toe om hun favoriete AI modellen te programmeren in ingebed geheugen en hen te herprogrammeren volgens de vereisten of de voorwaarden van waar het systeem wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, wanneer geïnstalleerd bij de ingang van een faciliteit, kan het worden gebruikt om het aantal bezoekers te tellen die de faciliteit ingaan; wanneer geïnstalleerd op een opslagplank, kan het worden gebruikt om uit voorraadsituaties te ontdekken; wanneer geïnstalleerd op het plafond, kan het voor de opslagbezoekers van de hitteafbeelding worden gebruikt. De slimme visiesensoren zouden moeten goedkope randai systemen voor diverse toepassingen verstrekken gebruikend flexibele AI modellen.

Dit document herziet recente verwezenlijkingen in de architectuur van de beeldsensor met gestapelde apparatenstructuren. De gestapelde apparatenstructuur verbetert zeer de prestaties van de beeldsensor, vooral bij hoge framesnelheden en hoge pixelresoluties, door hoogst parallelle uitgevoerd ADCs gebruikend sensorpixel en CMOS kring geoptimaliseerde procestechnologie. In het recente werk, zijn verscheidene voorstellen gedaan, met sommige resultaten, gebruikend pixel-parallelle het stapelen kringen en/of slimmere verwerkingseenheidën. Deze nieuwe uitdagingen vereisen hogere scalability, meer optimalisering van procestechnologie voor elke functie, en hogere gebiedsefficiency. De fotodetectoren, de pixel front-end kringen, het analoge mengen-signaal en de digitale bewerkers, en het geheugen kunnen, zoals aangetoond in Figuur 25 efficiënter worden geïntegreerd, en de toekomstige architectuur van de beeldsensor zal verdere ontwikkeling bereiken om mogelijkheden door apparaat uit te breiden stapelend technieken.