CMOS圖像傳感器技術(shù)及SOI在近紅外CMOS圖像傳感器中的應(yīng)用

一. 3D成像和傳感市場

早期的3D成像和傳感技術(shù)主要應(yīng)用于傳統(tǒng)的醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域，但市場規(guī)模很小，數(shù)年來一直維持在1億美元以下。隨著近年來技術(shù)不斷取得突破，3D成像和傳感技術(shù)已經(jīng)開始進軍消費電子和汽車電子領(lǐng)域，未來將迎來爆發(fā)式的增長。

據(jù)最新預(yù)計（圖1），3D成像與傳感的全球市場規(guī)模將從2017年的21億美元擴大至2023年的185億美元，年復(fù)合增長率達到44%。在2017年iPhone X Face ID采用了3D像機的觸發(fā)下，未來消費類3D成像和傳感市場將持續(xù)成為增長最快、規(guī)模最大的領(lǐng)域：從2017至2023年，消費類3D成像和傳感市場的年復(fù)合增長率將達到82%，到2023年的市占比將超過七成（圖2）。

圖1 2011~2023年3D成像和傳感市場預(yù)測

圖2 2017年和2023年3D成像和傳感細分市場占比

目前在移動消費市場，全球已經(jīng)建立了完善的3D成像產(chǎn)業(yè)鏈（圖3）。由于技術(shù)領(lǐng)先，蘋果及其聯(lián)盟公司目前牢牢把控3D成像技術(shù)，預(yù)計Android陣營大規(guī)模普及3D成像可能要到2019年。屆時一旦Android智能手機的替代供應(yīng)鏈就位，3D成像的市場的體量將快速增大。

在中國，諸多手機制造商已經(jīng)開始布局3D成像技術(shù)：小米8探索版中搭載了3D人臉識別技術(shù)；OPPO和華為預(yù)計今年下半年相關(guān)機型也將會搭載3D傳感器。雖然中國在手機應(yīng)用端已經(jīng)在全球率先切入3D成像，但是3D成像供應(yīng)鏈基本都是海外公司，國內(nèi)供應(yīng)鏈缺失。由于技術(shù)壁壘較高，未來中國廠商很難打進3D成像的供應(yīng)鏈。

圖3 2018~2023年全球移動消費類3D成像生態(tài)鏈

二. CMOS圖像傳感器技術(shù)及SOI在近紅外CMOS圖像傳感器中的應(yīng)用

2.1 3D成像技術(shù)簡介

現(xiàn)階段，3D成像技術(shù)有三條主流技術(shù)路線：結(jié)構(gòu)光（Structured light）、飛行時間（TOF，Time of Flight）和雙目視覺技術(shù)（Stereo Vision）。下面對這三種技術(shù)作簡要介紹。

1）雙目測距。雙目測距原理（圖4（a））類似人的雙眼，在自然光下通過兩個相機抓取圖像，然后通過三角形原理來計算并獲得深度信息。目前的雙攝就是雙目測距的典型應(yīng)用。

2）結(jié)構(gòu)光。結(jié)構(gòu)光技術(shù)（圖4（b））主要是通過近紅外激光器發(fā)射的具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線，投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外相機進行采集，采集后生成的圖像相對原始光線結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，然后通過運算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，進而復(fù)原整個三維空間。

3）TOF。TOF成像原理（圖4（c））是發(fā)射一束經(jīng)過相位調(diào)制的紅外激光到被測物體，當(dāng)紅外激光被反射回相機時，會因為光飛行時間的延遲，導(dǎo)致相位與發(fā)射時的相位有微小的變化，通過計算相位的變化，就可以計算出被測物體到相機之間的距離。

圖4 3D成像。（a）雙目測距，（b）結(jié)構(gòu)光，（c）TOF。

圖5 3種3D成像技術(shù)比較

比較這三種3D成像技術(shù)（圖5）：雙目立體成像抗環(huán)境光干擾強，分辨率高，但整體系統(tǒng)的復(fù)雜性、高功耗、不理想的暗光環(huán)境表現(xiàn)，以及低精度給其應(yīng)用帶來較大的局限性。聯(lián)想曾在Phab2 ProAR手機上嘗試類似的方案，但體驗并不樂觀；TOF技術(shù)基本不需要使用光學(xué)棱鏡，抗干擾性能好，視角更寬，不足是深度圖像分辨率較低，功耗較大。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為ToF適用于消費電子產(chǎn)品的后置3D成像，用于遠具體、室外強干擾環(huán)境；結(jié)構(gòu)光技術(shù)的優(yōu)勢在于技術(shù)成熟，功耗低，深度圖像分辨率比較高，但是極易受到外界光的干擾、識別距離近，適合于消費電子產(chǎn)品前置3D成像，用于近距離場景。

從廠商的站隊以及產(chǎn)品影響力來看，結(jié)構(gòu)光技術(shù)是最主流的3D成像實現(xiàn)方法。采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)路線代表公司有蘋果、微軟、Intel、Google等。

2.2 iphoneX的3D成像技術(shù)

蘋果早在2011年就開始布局3D成像領(lǐng)域（表1），特別是在2013年，蘋果以3.45億美元收購了以色列的3D視覺公司PrimeSense，這項收購是蘋果史上最大手筆的收購之一。PrimeSense是結(jié)構(gòu)光方案最主要的專利持有者，因此，iphoneX中的3D成像采用的推測是結(jié)構(gòu)光技術(shù)。iPhoneX的TrueDepth通過結(jié)構(gòu)光技術(shù)實現(xiàn)面部解鎖，容錯率可達百萬分之一，安全性能良好。另外，由于借助不可見的紅外光，TrueDepth還支持在黑夜等暗光環(huán)境下使用。

表1蘋果近幾年收購的3D成像技術(shù)公司

TrueDepth 3D相機除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個相機+深度傳感器組成，硬件復(fù)雜度較高，因此，iPhoneX在正面屏幕頂部開了個“齊劉?！保▓D6）。

TrueDepth是一款集成了五個子模塊的復(fù)雜組合體（圖6）。這五個子模塊分別是：近紅外相機（STM提供）、TOF測距傳感器＋紅外泛光照明器（STM提供）、RGB相機（LG Innotek提供模組，索尼提供圖像傳感器）、點陣式投影器（ams提供）和彩色／環(huán)境光傳感器（ams提供），該3D相機模組使用柱形凸塊連接近圖像傳感器以及包括四個透鏡的光學(xué)模塊。

iPhoneX實際進行人臉識別的過程非常復(fù)雜，不過可以簡化成以下幾個步驟。

1）檢測物體靠近。當(dāng)人臉靠近時，首先工作的是距離感應(yīng)器，它將會告訴iPhoneX是否有物體靠近；2）檢測用戶臉部。泛光感應(yīng)元件采用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）對前方物體進行掃描，由紅外鏡頭接收信息，并傳給A11芯片神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行判斷，識別為臉部后再進行下一步操作；3）獲取3D人臉信息。點陣投影器（結(jié)構(gòu)光發(fā)射器）通過將30000多個肉眼不可見的近紅外光點投影在人的臉部，繪制成獨一無二的面譜；4）結(jié)構(gòu)光接收。紅外鏡頭則讀取點陣圖案，捕捉它的紅外圖像，為用戶人臉繪制精確細致的深度圖，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至A11以確認(rèn)是否匹配，匹配度滿足蘋果設(shè)置的要求后手機就能實現(xiàn)解鎖。

圖6 iPhoneX“齊劉?！苯Y(jié)構(gòu)（上圖）和所采用的3D成像模組（下圖）

與傳統(tǒng)相機硬件產(chǎn)業(yè)鏈相比，iPhoneX 3D相機產(chǎn)業(yè)鏈新增加了“紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器”等部分，其中紅外CMOS傳感器是核心器件，價格昂貴（表2）。iPhoneX紅外CMOS傳感器采用的是STM基于SOI技術(shù)的解決方案，接下來將重點解析。

表2 蘋果3D傳感零部件及價格細分

2.3 CMOS圖像傳感器技術(shù)路線

傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器是在體硅上實現(xiàn)的，其靈敏度和分辨率主要采用兩個關(guān)鍵指標(biāo)衡量：1）量子效率（QE）。量子效率代表其捕獲的光子與轉(zhuǎn)化為電子的光子的比率，量子效率越高，圖像越亮；2）模傳遞函數(shù)（MTF）。模傳遞函數(shù)代表輸出像與輸入像的對比度之比，模傳遞函數(shù)越高，圖像越清晰。模傳遞函數(shù)主要受到像素間各種串?dāng)_（圖7）的影響，因此也可以用串?dāng)_來評估模傳遞函數(shù)的高低。因此，設(shè)計高品質(zhì)的CMOS圖像傳感器的要點有兩個，一方面要提高量子效率，另一方面要降低串?dāng)_。下面介紹幾種主流的隔離解決方案（圖8）。

圖7 體硅襯底上CMOS圖像傳感器的各種串?dāng)_示意圖

首先第一種解決方案如圖8（B）所示，采用不同劑量的P+對每個像素進行側(cè)壁注入（SWI），注入后在像素兩側(cè)形成側(cè)壁，可以鈍化硅懸空鍵，減小光電二極管的暗電流，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過P+鈍化后的像素的量子效率可以提高20%之多。

第二種解決方案（圖8（C））是在n型硅襯底上制備釘扎深二極管（pinned deep diode）。這種方法是利用多重注入在像素內(nèi)形成結(jié)電容隔離墻，可以降低像素間的串?dāng)_并且有效調(diào)控光生載流子的漂移。與傳統(tǒng)二極管相比，深二極管在藍色光譜中量子效率增加到60%，綠色光譜增加到超過50%。

圖8 體硅襯底上不同的像素隔離架構(gòu)

第三種解決方案是采用深槽隔離（DTI）結(jié)構(gòu)進行隔離（圖8（D））。DTI的機制如下（圖9）：Si-SiO2界面可用作隔離墻阻止電子擴散，降低串?dāng)_；Si-SiO2組成了類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，將光線限制在硅中，實現(xiàn)了光學(xué)隔離，并且延長光在硅中的光程，提高量子效率、降低串?dāng)_。與前兩種解決方案相比，DTI結(jié)構(gòu)的隔離效果最為顯著（圖10）。另外，溝槽越深，DTI的隔離性越好，串?dāng)_越小。由圖11結(jié)果知，DIT的深度一般要超過4μm。

圖9 DTI結(jié)構(gòu)抑制串?dāng)_、增加光程的機制

圖10 （a）不同隔離方案量子效率比較，（b）P+注入和DTI隔離后像素的光學(xué)特性比較

圖11 串?dāng)_和DTI深度的關(guān)系

綜上，采用DTI隔離技術(shù)在體硅上制備的CMOS傳感器的靈敏度和分辨率最高，目前STM、三星具備采用DTI隔離技術(shù)制備CMOS傳感器的能力。

2.4 iPhoneX的近紅外圖像傳感器架構(gòu)：DTI + SOI襯底

iphoneX中的近紅外CMOS傳感器是由蘋果和STM聯(lián)合開發(fā)的，器件的截面圖如圖12所示。

下面對該結(jié)構(gòu)像素隔離的方案進行解析：首先，iphoneX采用了DTI隔離技術(shù)；另外，與2.3節(jié)介紹的體硅隔離不同，iphoneX采用的是SOI襯底。根據(jù)圖8和圖12，推測SOI襯底上近紅外圖像傳感器的采用了DTI 與SOI襯底相結(jié)合的隔離架構(gòu)（圖13），該架構(gòu)的特點是DTI結(jié)合SOI襯底的BOX層能夠?qū)嵪袼氐娜綦x：通過DTI隔離像素間的光學(xué)和電學(xué)串?dāng)_；通過BOX隔離來自襯底的噪聲，隔離金屬污染；DTI和BOX形成了全反射腔，大大增加了有效光程，光捕獲能力增大。因此，該架構(gòu)能夠提高量子效率、減少串?dāng)_，從而大幅提高了近紅外傳感器的靈敏度和分辨率。

圖12 iPhoneX中近紅外CMOS圖像傳感器的截面圖

圖13 SOI襯底上近紅外圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和原理圖

另外，BOX層上外延硅的厚度是由近紅外光在硅中的穿透深度決定的。為了保證感應(yīng)能力和避免太陽光的干，近紅外圖像傳感器采用的一般是近紅外短波，波長范圍在780~1100nm之間，這個波段的近紅外線在硅中的吸收深度﹥6μm（圖14），從圖（12）中知，iPhoneX中圖像傳感器硅外延層的厚度約6.1μm。在全反射腔的作用下，近紅外線的吸收深度﹥6μm，滿足應(yīng)用需求。

圖14 不同電磁波在硅中的穿透深度

經(jīng)分析，iphoneX的近紅外圖像傳感器對SOI襯底沒有特殊要求，推測采用的是常規(guī)PD-SOI襯底，目前該襯底主要由Soitec公司提供。Soitec將面向傳感器應(yīng)用的SOI襯底稱為Imager-SOI，產(chǎn)品規(guī)格為：晶圓尺寸是300mm，BOX厚度在15~150nm之間，頂層硅厚度在50~200nm之間。Soitec從2016年開始給STM供貨Imager-SOI，隨后產(chǎn)能不斷增加。Soitec計劃到2020年Imager-SOI的晶圓出貨量5萬片（圖15）。

圖15 Soitec Imager-SOI晶圓年出貨量估計（單位：千片）

三. 總結(jié)

蘋果實現(xiàn)了3D Face ID，同時也再次“解鎖”了3D成像和傳感技術(shù)。未來3D成像和傳感技術(shù)將會滲透到更多的應(yīng)用場景，其市場將會持續(xù)高速膨脹。SOI CMOS傳感器技術(shù)已經(jīng)在智能手機占得先機，被蘋果證明在結(jié)構(gòu)光3D成像中具有獨特的優(yōu)勢，未來如果能夠降低成本并打入Android陣營，則市場前景光明。