“当前主流图像传感器可分为电荷耦合器件（CCD）和CMOS图像传感器（CIS）两类 。 CCD发展较早 ， 但CCD工艺的特殊性和技术的封闭性使其无法再进一步发展 。 ”杨程介绍 ， 相较而言 ， CIS更为主流 。 CIS采用的是标准的CMOS工艺 ， 工艺成本比CCD低 ， 同时CIS得益于CMOS工艺的不断改进而获得了快速的发展 ， 高动态范围、高帧频、低噪声等技术不断出现 。 目前CMOS图像传感器性能已经得到了大幅度提升 ， 与CCD性能相当 。 另外 ， CIS的阵列架构为每个像素独立 ， 各像素单元之间无相互影响 ， 因此成品率较高 ， 且工作速度更快 。 这些使得CIS已经基本取代CCD成为了商业市场的主流图像传感器 。
“但因为CIS的单元像素由一个二极管和3—4个晶体管组成 ， 随着像素尺寸的进一步缩小 ， 信噪比无法满足成像需求 ， 这使得CIS遇到了显著的技术瓶颈 。 ”杨程说 。
器件“瘦身”助力芯片大规模集成
能否设计一款区别于以往结构的图像传感器 ， 从源头提高传感器的性能？这个问题2009年进入了团队的研究视野 。 “2009年之后 ， CIS技术遇到很大的瓶颈 ， 像素点始终在1微米左右徘徊 ， 再往下缩小 ， 信噪比也急剧下降 ， 这就严重影响成像质量 ， 团队在想能否把复杂的器件结构变成一个单一的晶体管结构 ， 用一个器件实现5个功能 。 ”在实验室中 ， 南京大学电子科学与工程学院副教授马浩文指着一张图像传感器的内部结构图向采访人员讲解 。
采访人员看到 ， 他们设计的垂直电荷转移成像器件 ， 像一个搭好的乐高积木 ， CIS器件中形成像素的5大功能模块都被垂直堆叠起来形成一个整体 。
“垂直结构会缩小芯片的面积 ， 降低芯片成本 ， 但设计、加工、制造过程很艰难 。 首先是器件结构的设计 ， 要解决电路设计、像素之间的串扰问题 ， 像素缩小之后 ， 还要保持信噪比 ， 这都需要与代工厂深度合作 ， 优化加工工艺 。 ”马浩文解释 。
“如果把制造芯片比作盖房子 ， 那么VPS就是盖房子的砖块 ， 我们首先要研究怎么做砖块 ， 再思考如何把砖块利用最优的方式盖成房子 ， 这涉及芯片制造中一整套工艺流程和参数 。 由于VPS是我国完全自主原创的颠覆性技术 ， 所以没有参考经验可循 ， 需要针对VPS器件的特点量身定制芯片 。 ”杨程表示 ， 目前 ， VPS的核心专利已获得中国、美国、韩国、日本和欧盟的授权 。
突破重重困难 ， 团队先后进行了4次突破性创新 。 马浩文介绍 ， 他们用了1年完成概念验证 ， 2010年设计出100万像素规模、1微米的芯片 ， 实现了亚微米尺寸像素 ， 达到国际领先水平；2012年解决了器件大规模集成的问题 ， 研制出2500万像素、950纳米尺寸的芯片；2015年将像素规模提高到1.4亿 ， 实现了近场和远场成像；2018年 ， 像素规模达到4亿 ， 像素尺寸只有500纳米 。 这是世界上像素尺寸最小、像素规模最大、空间分辨率最高的可见光成像芯片 。
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