Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronics and Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China
2 Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology, School of Microelectronics, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 400060, China
CMOS image sensors produced by the existing CMOS manufacturing process usually have difficulty achieving complete charge transfer owing to the introduction of potential barriers or Si/SiO2 interface state traps in the charge transfer path, which reduces the charge transfer efficiency and image quality. Until now, scholars have only considered mechanisms that limit charge transfer from the perspectives of potential barriers and spill back effect under high illumination condition. However, the existing models have thus far ignored the charge transfer limitation due to Si/SiO2 interface state traps in the transfer gate channel, particularly under low illumination. Therefore, this paper proposes, for the first time, an analytical model for quantifying the incomplete charge transfer caused by Si/SiO2 interface state traps in the transfer gate channel under low illumination. This model can predict the variation rules of the number of untransferred charges and charge transfer efficiency when the trap energy level follows Gaussian distribution, exponential distribution and measured distribution. The model was verified with technology computer-aided design simulations, and the results showed that the simulation results exhibit the consistency with the proposed model.
CMOS image sensor charge transfer interface state traps Journal of Semiconductors
2023, 44(11): 114104
1 西安理工大学, 西安 710048
2 西安电子科技大学, 西安 710071)
为抑制像素阵列在曝光阶段的暗电流对图像传感器动态范围和输出图像质量的影响, 基于同步自适应的暗电流跟踪机制, 提出一种电路与系统级暗电流积分补偿方法。通过采样输出有效光电信号, 在无源处理阶段同步进行暗电流消除。该方法不仅可以补偿不同区域暗电流对有效光电信号的影响, 而且可解决传统暗电流消除方法对读出电路动态范围会造成衰减的问题。基于该方法, 在55 nm CMOS工艺下设计了一种752×512阵列规模的CMOS图像传感器, 实现了完整的电路设计、版图设计与后端物理验证。结果显示, 采用集成暗电流补偿技术的采样放大电路对暗电流最小补偿精度可以达到12 bit, 补偿范围最大可以达到500 mV, 单列功耗仅有1584 μW, 同时可实现1~4倍的增益, 最小增益步进625%。实现了从模拟前端根除暗电流对CMOS图像传感器图像质量和动态范围的影响, 为高端、高性能的CMOS图像传感器设计提供了一定的理论支撑。
CMOS图像传感器 暗电流补偿 同步自适应 动态范围 可编程增益放大器 CMOS image sensor dark current compensation synchronous adaptive dynamic range programmable gain amplifier (PGA)
1 云南大学 材料与能源学院，云南 昆明 650500
2 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
3 云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南 昆明 650223
由于紫外光在硅中的穿透深度有限，以及多晶硅栅极对紫外光的吸收，导致传统的硅基CMOS图像传感器在紫外光波段的响应不高。在此，本文选择一种低成本的下转换法来提升CMOS图像传感器的紫外响应能力，采用真空热蒸发法分别在石英衬底和CMOS图像传感器的像敏面上蒸镀了晕苯薄膜，并对薄膜的光学性能、红外光谱、光稳定性和热稳定性进行了研究。实验结果表明，晕苯薄膜能吸收紫外光并发射出500 nm的绿色荧光，可以与CMOS图像传感器的光谱响应峰值很好地匹配；同时，发现晕苯红外吸收光谱的实验值和计算值基本吻合；薄膜在200 ℃温度下退火20 min后，其发射峰的荧光强度保持在原来的95.7%；在280 nm激发波长照射大约60 min后，发光强度呈指数衰减至初始值的64%。采用CMOS单色相机在可见光（400~780 nm）和紫外光（365 nm）下定性分析了薄膜的紫外增强效果，发现蒸镀晕苯薄膜后的CMOS单色相机可以提高对紫外光的灵敏度。
CMOS图像传感器 紫外增强 下转换 晕苯 CMOS image Sensor ultraviolet enhancement down conversion Coronene 
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
This paper describes a promising route for the exploration and development of 3.0 THz sensing and imaging with FET-based power detectors in a standard 65 nm CMOS process. Based on th plasma-wave theory proposed by Dyakonov and Shur, we designed high-responsivity and low-noise multiple detectors for monitoring a pulse-mode 3.0 THz quantum cascade laser (QCL). Furthermore, we present a fully integrated high-speed 32 × 32-pixel 3.0 THz CMOS image sensor (CIS). The full CIS measures 2.81 × 5.39 mm2 and achieves a 423 V/W responsivity (Rv) and a 5.3 nW integral noise equivalent power (NEP) at room temperature. In experiments, we demonstrate a testing speed reaching 319 fps under continuous-wave (CW) illumination of a 3.0 THz QCL. The results indicate that our terahertz CIS has excellent potential in cost-effective and commercial THz imaging and material detection.
power detectors quantum cascade laser (QCL) CMOS image sensor (CIS) terahertz Journal of Semiconductors
2023, 44(10): 102401
1 湘潭大学材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105
2 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室（西北核技术研究所），陕西 西安 710024
应用在空间辐射环境下的互补金属氧化物半导体图像传感器（CIS）会受到高能质子辐照损伤，导致性能退化，严重时甚至功能失效。为了分析CIS高能质子辐照损伤机理，本文以0.18 μm工艺CIS为研究对象，利用西安200 MeV质子应用装置开展了注量分别为1×1010、5×1010、1×1011 p/cm2的100 MeV质子辐照实验。获得了单粒子瞬态响应的典型特征和暗信号、暗信号分布、暗信号尖峰及随机电码信号（RTS）等敏感参数的退化规律，揭示了不同偏置条件和不同注量下CIS高能质子辐照损伤的物理机制。实验结果表明：对暗信号而言，加偏置条件比未加偏置条件变化显著；质子辐照诱发的位移损伤和电离损伤引起暗信号的增大；位移损伤诱发的体缺陷诱发暗信号尖峰的产生，且随着辐照注量的增大而增多；空间电荷区中不同类型的体缺陷导致两能级和多能级RTS的产生。
遥感与传感器 CMOS图像传感器 质子辐照 瞬态响应 暗信号 随机电码信号 光学学报
2023, 43(19): 1928001
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 南通智能感知研究院, 江苏 南通 226009
设计并验证了一款可选分辨率、高速1024线列CMOS图像传感器。为了优化列总线读出速率, 芯片采用总线分割技术以减小总线寄生电容, 有效提升了信号读出速率。传感器具有4种可选择分辨率功能, 使其具有更高的帧频。设计的芯片采用0.5μm标准CMOS工艺成功流片, 验证了设计的正确性。测试结果表明: 满阱容量为4.76Me-/像素, 动态范围为75dB; 在128分辨率下, 帧频能达到36000frames/s。
电容反馈跨阻放大器 高速 建立时间 CMOS图像传感器 CTIA high speed settling time CMOS image sensor
1 国防科技大学 电子对抗学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 国防科技大学 电子对抗学院 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 电磁空间安全全国重点实验室，天津 300308
4 北京航天控制仪器研究所，北京 100094
研究中红外波段激光对CMOS图像传感器的辐照效应，对探索空间态势感知系统光学成像器件的激光干扰和损伤条件具有重要**意义。开展了不同重频下2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰与损伤实验。观察到CMOS图像传感器的饱和、过饱和以及损伤产生的绿屏、彩色条纹、黑屏、亮线等一系列干扰损伤现象。同时测量了传感器各种辐照现象相对应的2.79 μm中红外激光干扰损伤阈值，研究了图像传感器辐照效应与激光重频之间的内在关系，分析了2.79 μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤机理。研究表明，CMOS图像传感器的激光损伤主要以材料的热熔融为主，热效应明显。在激光重频10 Hz的辐照下，饱和干扰阈值为0.44 J/cm2、过饱和阈值为0.97 J/cm2、损伤阈值为203.71 J/cm2。研究表明CMOS图像传感器具有很好的抗干扰和抗损伤能力，实验测得的相关阈值数据在空间激光攻防领域具有重要的参考价值。
中红外激光 辐照效应 CMOS图像传感器 损伤阈值 mid-infrared laser irradiation effect CMOS image sensor damage threshold 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230168
1 国防科技大学 电子对抗学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 国防科技大学 电子对抗学院 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001
高能激光是对抗光电成像系统的有效手段。随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)图像传感器性能和制作工艺的快速发展，其市场占有率已逐步赶超电荷耦合器件 （Charge Coupled Device, CCD），成为当前主流的图像传感器。CMOS图像传感器的激光干扰和损伤也随之成为国内外相关领域的研究热点。文中首先根据CMOS图像传感器的发展历程，对其结构和工作原理进行了介绍，并在此基础上简要分析了CMOS图像传感器在激光辐照过程中的薄弱环节，之后综述了CMOS在激光辐照下受到干扰及损伤现象的研究进展，并对干扰的评价方法和损伤阈值的主要测量方法进行了总结归纳，最后探讨了利用复合激光系统提升损伤CMOS图像传感器能力的发展现状和前景。
CMOS图像传感器 激光辐照 干扰 损伤 CMOS image sensor laser irradiation dazzle damage 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230269
为了提高用于低噪声CMOS图像传感器的单斜模数转换器（SS ADC）的量化速度，提出一种基于SS ADC的根据输入光强确定采样次数的相关多次采样（CMS）技术。利用数字模拟转换器（DAC）输出信号的差分特性，根据输入电压大小，分别按照不同的方式选择正/负斜坡输入到比较器中。当输入电压信号较小时，控制斜坡形状，使采样次数为4；当输入电压信号较大时，使采样次数为2。采用110 nm的CMOS工艺，时钟频率为400 MHz，行转换时间为23 μs，分辨率为11位，量化范围为1 V内。仿真结果表明：所提技术的微分非线性（DNL）达+0.6/-0.3LSB，LSB指最低有效位，积分非线性（INL）达+0.7/-0.9LSB；最低噪声为82 μV；与传统的采样次数为4的CMS技术相比，在不增加低照度下噪声的同时，将A/D转换周期节约了13 μs。
CMOS图像传感器 单斜模数转换器 低噪声 相关多次采样 微光探测 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1228005
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
3 中国科学院大学, 北京 100049
设计了一款基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器。传感器基于一种新型的结构, 其可在时间域下探测高输入光强, 在模拟域下探测低输入光强。该设计在传统电容反馈式跨阻放大器(CTIA)的基础上, 新增了时间域测量电路, 在不改变原有积分过程的同时可实现连续的大动态范围。基于0.35μm, 5V-CMOS工艺进行了256×1线列CMOS图像传感器流片, 光电二极管面积为22.5μm×22.5μm, 并对器件的光电特性进行了后仿真验证。仿真测试结果表明, 基于时间域读出的图像传感器可实现96dB的大动态范围, 且时间域和模拟域的两路输出信号可同步输出, 功耗为7.98mW。
CMOS图像传感器 时间域 CTIA像素 动态范围 CMOS image sensor time domain CTIA dynamic range
