Haberler

CMOS görüntü sensörlerinin geliştirilmesi ve gelişmiş görüntüleme teknolojilerinin kullanılması, yaşam kalitesini artırmayı vaat ediyor.Paralel analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) ve arkadan aydınlatmalı (BI) teknolojilerinin hızla ortaya çıkmasıyla birlikte, CMOS görüntü sensörleri şu anda dijital kamera pazarına hakim olurken, yığınlanmış CMOS görüntü sensörleri gelişmiş işlevsellik ve kullanıcı deneyimi sağlamaya devam ediyor.Bu makale, performans iyileştirmelerini hızlandırmak, algılama yeteneklerini genişletmek ve çeşitli yığınlanmış cihaz teknolojileriyle uç bilgi işlemi birleştirmek için görüntü sensörü mimarilerinin evriminde yığınlanmış görüntü sensörlerinin son başarılarını gözden geçirmektedir.
Görüntü sensörleri şu anda çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır.1969'da şarj bağlantılı cihazın (CCD) icadından bu yana, katı hal görüntü sensörleri, kompakt video kameralar ve dijital kameralar gibi çeşitli tüketici pazarlarına yayılmıştır.2005'ten beri ana akım katı hal görüntü sensörü olan CMOS görüntü sensörü, CCD'ler için geliştirilmiş teknolojiyi temel alır.Şu anda en büyük görüntü sensörü pazarı olan akıllı telefonlara ek olarak, görüntü sensörlerine yönelik talep, güvenlik için ağ kameralarını, fabrika otomasyonu için makine vizyonunu ve destekli sürüş ve otonom sürüş sistemleri için otomotiv kameralarını içerecek şekilde hızla genişliyor.
CMOS görüntü sensörü teknolojisindeki önemli bir dönüm noktası, Şekil 1'de gösterildiği gibi görüntü sensörlerinin yığılmış yapılarının geliştirilmesine olanak sağlayan arkadan aydınlatmalı (BI) görüntü sensörlerinin başarılı bir şekilde geliştirilmesiydi. Gelen ışığın fotodiyot tarafından metal çizgilerle çevrili bir boşluktan toplanması gerektiğinden sensörün piksel boyutunu küçültmek zordu.Arkadan aydınlatmalı (BI) yapılar, büyük ölçüde geliştirilmiş hassasiyete sahiptir ve metal yönlendirmede esnekliğe izin verir ve gofret yapıştırma ve son derece homojen gofret inceltme teknikleri nedeniyle görüntü sensörleri için popüler bir ürün haline gelmiştir.Görüntü sensörleri, mantık devrelerinin doğrudan taban plakasına entegre edildiği yığınlanmış yapılara doğru yavaş yavaş gelişiyor.Yığınlama işlemi, piksel fotodiyotları için özelleştirilmiş sensör işleminden bağımsız olarak, yüksek düzeyde paralel analogdan dijitale dönüştürücülerin (ADC'ler) ve sinyal işleme öğelerinin daha gelişmiş CMOS işlemlerinde daha yüksek düzeyde entegrasyonuna olanak tanır.Yığılmış cihaz yapıları, görüntü sensörü mimarilerini önemli ölçüde değiştirmeye devam ediyor.

Şekil 1. Bir CMOS görüntü sensörünün yapısı.(a) FI yapısı, (b) BI yapısı ve (c) yollarla yığılmış yapı.
Bu makale, performans iyileştirmelerini önemli ölçüde hızlandırmak, algılama yeteneklerini genişletmek ve sensör katmanına bağlı uç bilgi işlem yeteneklerini entegre etmek için yığınlanmış aygıtlarla görüntü sensörü mimarilerindeki eğilimleri gözden geçirmektedir.İkinci bölüm, yüksek düzeyde paralel sütun-paralel ADC'ler aracılığıyla yüksek piksel çözünürlüğü ve yüksek kare hızlı görüntüleme sağlayan yığınlanmış cihaz konfigürasyonları için farklı sensör mimarileri sunar.Bölüm 3, pratik piksel çözünürlüklerinde daha iyi piksel performansı için kritik olan piksel aralıklı Cu-Cu bağlantıları kullanılarak uygulanan bazı gelişmiş piksel devrelerini sunar.Piksel aralıklı Cu-Cu bağlantıları, sensör mimarilerinin piksel paralel sayısallaştırmaya doğru ilerlemesini de sağlıyor.Bölüm IV, uzamsal derinlik, zamansal kontrast algılama ve görünmez ışık görüntüleme gibi algılama yeteneklerini genişleten sensör mimarilerinde bazı ilerlemeler sunar.Bölüm V, yapay zeka (AI) hızlandırıcılarını uçta entegre eden görüntü sensörlerini tanıtıyor.Son olarak, Bölüm VI bazı sonuçlar vermektedir.
II.Megapikselin üzerinde filmlerle kayıt
Film kaydı, piksel sayısı 2 megapiksel yüksek tanımlı (HD) biçiminden 8 megapiksel 4K biçimine yükselse de, saniyede en az 30 veya 60 kare (fps) kare hızı gerektirir.Ek olarak, 120, 240 veya 1000 kare/saniye (fps) gibi daha yüksek kare hızı işlemleri, ağır çekim oynatma sağlayabilir.Sütun-paralel ADC mimarisi 1997'de önerildiğinden, paralel ADC'lerin sayısını artırarak ve ADC işleminin kendisini hızlandırarak kare hızları iyileştirildi.Yığılmış yapılar, sensör piksellerine ve çevre birimlerine en iyi işlem teknolojisi uygulanabileceğinden kare hızlarını en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olur.Sensör üretimi, düşük bağlantı sızıntısı olan fotodiyotlar ve transistörler oluşturmak için birkaç iyon implantasyon işlemi gerektirir.Ancak mantık süreci, düşük direnç ve yüksek hızlı transistörler gerektirir.Pikseller için, genellikle üç veya dört katman kablolama yeterlidir, ancak mantık devreleri için yaklaşık on katman kablolama gereklidir.Kullanılan yığınlama tekniği, sensör pikselleri ve mantık devreleri de dahil olmak üzere aynı çip üzerindeki yığınlanmamış görüntü sensörlerinin çakışan kısıtlamalarını hafifletebilir.
A. Dual Rank ADC Mimarisi
Şu anda, çoğu CMOS görüntü sensörü, bir sütun paralel yapıda organize edilmiş bir dizi piksel, binlerce ADC ve mantık devresi içerir.Şekil 2(a)'da gösterildiği gibi, piksel dizisinin dışında bulunan silikon yoluyla geçişler (TSV'ler), piksel sütunlarını ADC'ye oldukça paralel bir şekilde bağlar.2013'te tanıtılan ilk yığılmış CMOS görüntü sensöründe, ADC sütununun analog ve dijital parçaları Şekil 2(b)'de gösterildiği gibi sırasıyla üst ve alt yongalara bölünmüştür.2015 yılında, bir çift sütunlu ADC mimarisi önerildi ve Şekil 2(c)'de gösterildiği gibi, sütun ADC'nin tamamen alt çipe taşındığı 16M pikselde 120 fps'lik bir kare hızı elde edildi.Sensör çipi, yalnızca NMOS mantığı kullanılarak fotodiyotlar için özel bir 90nm sensör işlemi kullanılarak üretilir.Mantık yongaları, standart bir 65 nanometre CMOS işlemi kullanılarak üretilir.ADC sütunu sensör çipinden bağımsız olarak uygulanabildiğinden, ADC yüksek oranda entegre edilebilir.Kare hızını artırmaya ek olarak, Şekil 3'te gösterildiği gibi çoklu analogdan dijitale (AD) dönüşümlerin ortalamasını alarak paraziti azaltmak için yedekli paralel ADC'ler kullanılır. Bir pikselin çıktısı aynı anda iki ADC'ye dağıtılır ve ikisi görüntü çerçevesini yeniden oluşturmak için dijital çıkışlar toplanır.İki ADC'nin zamanlama aşamaları, gürültülü sinyalleri arasındaki korelasyonu azaltarak gürültü azaltma elde etmek için biraz farklıdır.

Şekil 2. Yığılmış bir CMOS görüntü sensörünün uygulanması.(a) Fotodiyot ve mantık devresi arasındaki TSV bağlantısı.(b) İlk yığınlanmış CMOS görüntü sensörü.(c) Çift sıralı ADC mimarisi.

Şekil 3. Çift sıralı ADC mimarisinin basitleştirilmiş blok şeması (solda) ve geliştirilmiş gürültü özellikleri (sağda).
B. Dinamik rastgele erişim belleğine (DRAM) sahip üç katmanlı yığılmış CMOS görüntü sensörü
Piksel sayısı ve paralel ADC'ler arttıkça, görüntü sensörleri büyük miktarda veri üretir.2017 yılında, Şekil 4'te gösterildiği gibi 960 fps'de ağır çekim video kaydetmek için üç katmanlı bir yığılmış CMOS görüntü sensörü önerildi;üç katman, silikon yoluyla (TSV'ler) bağlanır ve paralel ADC'den elde edilen veriler, ağır çekim yakalamayı elde etmek için DRAM'ın ikinci katmanında arabelleğe alınır.Süper ağır çekim kayıt için sensör, ADC'den gelen dijital veriler 102 Gbit/s veri yolu üzerinden DRAM'de geçici olarak arabelleğe alınırken, tam HD çözünürlükte 960 fps'de çalışabilir.Sensör, 30 fps video çekimi sırasında sahnede kullanıcı tetiklemeleri veya hızlı hareket algıladığında, okuma hızı 960 fps olur.Bir seferde DRAM'de 63'e kadar full HD çözünürlük karesi saklanabilir ve sonraki film çekimi sırasında ara belleğe alınmış veri çıkışı yapılabilir.

Şekil 4. DRAM'li üç katmanlı yığılmış CMOS görüntü sensörü
C. Geniş Optik Formatlı Chip-on-Wafer Teknolojisi için
Bugüne kadar tanıtılan yığılmış CMOS görüntü sensörleri, gofret üzerinde gofret (WoW) yapıştırma işleminde üretilir.Bununla birlikte, sensör ve mantık yongalarının boyutları aynı olması gerektiğinden, özellikle geniş bir optik format için bu işlem her zaman en iyi seçim değildir.Başka bir istifleme yöntemi, Şekil 5'te gösterildiği gibi, CoW bağlamayı içerir.WoW birleştirmede alan verimliliği, optik formatla aynı boyutta bir mantık yongası tamamen yüksek düzeyde paralel ADC'ler ve dijital yapı taşları ile doldurulduğunda en iyisidir.Bununla birlikte, mantık devresi optik formattan daha küçükse, CoW konfigürasyonu en iyi alan verimliliğine sahipken WoW konfigürasyonunun maliyet sorunları vardır.

Şekil 5. Geniş optik formatlı görüntü sensörleri için WoW ve CoW birleştirme işlemlerinin alan verimliliği.
2016 yılında, süper 35 mm optik formata sahip yayın kameraları için küresel bir deklanşör görüntü sensörü gerçekleştiren CoW birleştirme işlemini [12] kullanan yığınlanmış bir CMOS görüntü sensörü bildirildi.Burada, iki dilimlenmiş mantık yongası, paralel ADC'ler ve mikro darbelere sahip 65 nm'lik bir CMOS işleminde tasarlanmıştır ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, küresel deklanşör pikselleri için özel olarak tasarlanmış büyük bir sensör yongası üzerinde istiflenir. en boy oranı sensöre 40 µm aralıklı mikro çarpmalar yoluyla bağlanır.Bu nedenle, toplam bağlantı sayısı yaklaşık 38 000'dir. Sensör ayrıca 8 megapiksel üzerinden 480 fps'de süper ağır çekim oynatmaya izin verir.

Şekil 6. CoW birleştirme işlemini kullanan yığılmış CMOS görüntü sensörü.
Şekil 7, 2021'de tam 35 mm biçimli görüntü sensörleri için 50 megapiksel ve 250 fps ile büyük optik biçimli görüntü sensörleri için performans eğilimlerini gösterir. Paralel ADC'lerin sayısını artırmak ve statik rastgele erişim belleğini (SRAM) aşamalı olarak artırmak için çerçeve arabelleği, WoW işlemi yüksek performans elde etmek için kullanılır.Öte yandan, maliyet verimliliğini büyük optik formatlı sensörlerin performansıyla dengelemek için CoW süreci kullanılır.Ayrıca 2021'de tanıtılan, 127 milyon piksel ve bir CoW işlemi kullanılarak yığılmış dört mantık yongasına sahip 3,6 inçlik bir görüntü sensörüdür.CoW süreci için bir sonraki zorluk, üretkenliği artırmak için gofret üzerine talaş yerleştirme verimini artırmaktır.

Şekil 7. Geniş optik formatlı görüntü sensörleri için performans eğilimleri.
III.Piksel Paralel Mimarisi
Önceki bölümde, yığılmış cihazları kullanan sensör mimarisi, esas olarak sütun paralel ADC tabanlı mimarinin kare hızını artırmak için kullanıldı.Bu bölüm, ince aralıklı Cu–Cu bağlantılarını kullanan piksel paralel mimarilere dayalı bazı ilerlemeleri sunar.Burada sensör ve mantık katmanları arasındaki bağlantılar, Şekil 8(a)'da gösterildiği gibi TSV'lerden hibrit bağlı Cu-Cu bağlantılarına değiştirilmiştir.Bir TSV konfigürasyonunda, sinyal hatları, piksel dizisinin çevresi üzerindeki mantık katmanına yönlendirilir.Buna karşılık, Cu-Cu bağlantıları doğrudan pikselin altına entegre edilebilir ve bu bağlantılar bağlantı sayısının artmasına izin verir.Cu-Cu bağlantı aralığı ile ilgili en son trendler Şekil 8(b)'de gösterilmektedir.Görüntü sensörlerinin hibrit bağlama işlemi, bağlantı hatası olmayan milyonlarca Cu-Cu bağlantısı gerektirirken, çok sayıda kontağın sabit bağlantısıyla temas aralığı giderek azalır;ayrıca 1 um Cu-Cu yakın zamanda Hibrit bağ aralığı rapor edilmiştir.Bu ince aralıklı bağlantılar, piksel paralel devre mimarilerinin pratik piksel boyutlarında üretilmesini sağlayacaktır.

Şekil 8. Cu-Cu bağlantı aralığı eğilimleri (a) basitleştirilmiş cihaz yapısı ve (b) enine kesit.
A. Yığılmış piksel devresi genişletmesi
Literatürde, tam kuyu kapasitesi (FWC) gibi piksel devre genişletmesi yoluyla piksel performansını iyileştirmek ve küresel deklanşör gibi ek işlevleri uygulamak için çok sayıda teknik ve uygulama önerilmiştir.Şekil 9(a) ve (b), sırasıyla tek dönüşüm kazancı ve çift dönüşüm kazancı için piksel konfigürasyonunu göstermektedir.Daha küçük kapasitif CFD'ler, düşük gürültülü okuma için optoelektronikten yüksek voltaj dalgalanmaları yaşar, ancak çok sayıda sinyal elektronuyla kolayca doyurulur.Bununla birlikte, çift dönüştürme kazançlı pikseller, iki dönüştürme kazancı arasındaki sıralı işlemle değiştirilir, bu da CFD'de düşük parazitli okumalar ve CDCG'de yüksek dinamik aralık (HDR) okumaları sağlar;ek olarak, ek transistörlerin ve kapasitörlerin alan yükü Yüksek piksel çözünürlüğü, piksel boyutunun azaltılabileceği miktarı sınırlayarak elde edilir.2018'de, çift dönüşüm kazancına sahip yığılmış bir piksel devre uzantısı önerildi;ek devreler, Şekil 9(c)'de gösterildiği gibi, piksel-paralel Cu-Cu bağlantıları aracılığıyla alttaki çip üzerinde uygulandı.20 ve 200 µV/e- dönüşüm kazançları arasında geçiş yaparak, 83,8 dB dinamik aralık ve 0,8 e-rms düşük gürültü ile 1,5 µm piksel başarıyla görüntülendi.Şekil 10'da gösterildiği gibi, voltaj alanlı global deklanşör işlevine ve çift dönüşüm kazancı olan piksele piksel düzeyinde yığılmış devre konfigürasyonu uygulanmıştır.2019, 100 dB'nin üzerinde bir deklanşör verimliliğine sahip 2,2 µm küresel deklanşör pikseli gösterdi.Çift dönüştürme kazancına ve voltaj etki alanına sahip global deklanşöre sahip son teknoloji ürünü pikseller, piksel düzeyinde yığınlama devresi ölçeklendirmesi olmadan sırasıyla 0,8 µm ve 2,3 µm piksel boyutlarına ulaşır;ancak, yığılmış piksel yapılandırmalarının daha küçük pikseller için piksel performansını artırması beklenir.

Şekil 9. (a) tek dönüşüm kazançlı, (b) çift dönüşüm kazançlı ve (c) çift dönüşüm kazançlı ve paralel Cu-Cu bağlantılı yığılmış pikselli piksel devre konfigürasyonları.

Şekil 10. Piksel-paralel Cu-Cu bağlantıları aracılığıyla yığılmış bir voltaj alanlı global deklanşörün piksel devresi konfigürasyonu.
B. Piksel Paralel ADC
2001 yılında piksel-paralel sayısallaştırma kavramı önerildiğinden, hibrit bağlama işlemlerine sahip piksel-paralel Cu-Cu-bağlantılı yığılmış görüntü sensörleri de önerilmiştir.Karmaşık devrelerdeki piksel içi alan genel giderleri kesinlikle piksel çözünürlüğünü sınırlar, ancak 2017'de dizi paralel ADC mimarisine sahip 4.1 megapiksellik bir yığılmış görüntü sensörü ve ardından 2018'de 1.46 megapiksel paralel ADC'nin yığılmış görüntü sensörü önerildi.Piksel paralel ADC mimarisi, hibrit bağlama işleminin ince aralıklı Cu-Cu bağlantıları nedeniyle Mpiksel çözünürlüğü elde etti.Şekil 11'de gösterildiği gibi, tek eğimli ADC'ler piksel paralel ve geleneksel sütun paralel mimarilerde kullanılır, ancak kaynak izleyici devreleri yoktur.Piksel içi transistör yükselticiler, her pikseli iki Cu-Cu bağlantısı aracılığıyla alt çipe bağlayarak doğrudan karşılaştırıcılara entegre edilmiştir.Sayacın alan sınırlaması nedeniyle, Gray kodu piksel içi mandallara atanmıştır ve piksel dizisinin altındaki ADC'ler kullanılarak dijital okuma boru hatları uygulanmıştır.

Şekil 11. Piksel paralel ADC'nin devre konfigürasyonu.
Şekil 12(a), piksel paralel ADC mimarisine sahip bir prototip çipi göstermektedir;karşılaştırıcının hareketsiz akımının 7,74 nA ile sınırlı olduğu her ADC yalnızca 6,9 µm'lik bir piksel aralığı ile uygulanmasına rağmen, etkin bant genişliği kontrolünden kaynaklanan gürültü tabanı 8,77 e−rms'ye bastırılmıştır.Tüm piksel paralel ADC'ler aynı anda global bir örtücü olarak çalışır;bu nedenle, Şekil 12(c)'de gösterildiği gibi, prototip kullanılarak çekilen görüntülerde Şekil 12(b)'de gösterildiği gibi hiçbir panjur odak düzlemi bozulması gözlemlenmez.Pixel-paralel ADC mimarileri geliştirilmeye devam ediyor.2020'deki en son çalışma, 4,6 µm piksel aralığı, 127 dB dinamik aralık ve 4,2e−rms gürültü ve 4,95 µm çalışma ve 2,6e−rm gürültü gösteriyor.

Şekil 12. Bir piksel paralel ADC'nin çip üzerinde uygulaması.(a) Çipin mikrografı.(b) Sarmal deklanşör işlemi ve (c) global obtüratör işlemi kullanılarak çekilen resimler.
C. Piksel Paralel Foton Sayacı
Kuantum görüntüleme olarak da bilinen foton sayma görüntüleme, gürültüsüz okuma ve yüksek dinamik aralıklı görüntüleme (HDR) ile görüntü yakalamayı mümkün kılmak için umut verici bir tekniktir.Tek fotonlu çığ diyotları (SPAD'ler) kullanan foton sayan görüntü sensörleri, yığınlama teknikleri aracılığıyla piksel paralel sayısallaştırmanın zorluklarından biridir.Çığ akımı, tek bir fotoelektron tarafından tetiklenir ve analog ön uç devresinden herhangi bir gürültünün olmaması durumunda, olay dijital olarak bir foton sayısı olarak görüntülenebilir.Bu, her bir SPAD için karmaşık devrelerin uygulanmasını gerektirir;piksel bağlantılarına sahip yığılmış cihaz yapıları, yüksek düzeyde entegre foton sayma görüntüleme potansiyeline sahiptir.
2021'de 124 dB dinamik aralığa sahip ve bir alt çerçeve ekstrapolasyon mimarisi kullanan bir SPAD foton sayan görüntü sensörü rapor edildi. Alt çipte bir arkadan aydınlatmalı (BI) tek foton çığ diyotu (SPAD) piksel dizisi istiflenir ve okuma devresi, Şekil 13(a)'da gösterildiği gibi piksel paralel Cu-Cu aracılığıyla bağlanır.Şekil 13(b), bir piksel biriminin şematik bir diyagramıdır.Her piksel, gelen fotonların sayısını sayan bir 9-b dijital dalgalanma sayacına (CN) sahiptir.Sayaçtan taşma taşıması (OF), SPAD aktivasyonunu kontrol etmek ve zamanlama kodunu (TC) kilitlemek için söndürme devresine döndürülür.Daha sonra tüm piksellere bir 14-b zamanlama kodu (TC) atanır ve OF bayrağı değiştiğinde, Şekil 14'teki zamanlama şemasında gösterildiği gibi sayacı geçersiz kılar. 9-b foton sayısını veya kilitli 14-b TC'leri okuyun ve Düşük ışık koşullarında karşı taşma olmadan tüm foton sayımlarını doğru bir şekilde elde edin.Bununla birlikte, parlak ışık koşullarında sayaç taştığında, taşan piksel zamanı kaydeder ve pozlama boyunca gerçek gelen foton sayısını tahmin eder.

Şekil 13. Foton sayan görüntü sensörü.(a) Çip yapılandırması.(b) Basitleştirilmiş piksel devre şeması.

Şekil 14. Foton sayımı ve alt çerçeve ekstrapolasyonu için zamanlama şeması.
Şekil 15(a)'da gösterildiği gibi, sinyal-gürültü oranında (SNR) herhangi bir bozulma olmaksızın 124 dB'lik bir dinamik aralık gösterilmiştir.Gerçek foton sayma işlemleri 10 240 fotona veya 9 bit × 20 alt çerçeveye kadar sayabildiğinden, parlak ışık koşullarında karşı taşma sonrası SNR, genişletilmiş dinamik aralık üzerinde 40 dB'de kalır.Şekil 15(b), 250 fps'de yakalanan bir HDR görüntüsünü gösterir;küresel deklanşör ve 20 alt çerçeve HDR işlemi nedeniyle, 225 rpm dönen fanla bile hiçbir hareket kusuru gözlenmedi.20-alt çerçeve ekstrapolasyonu, Şekil 15(c)'de gösterildiği gibi, hareket artefaktlarını etkili bir şekilde bastırır.SPAD, yaklaşık 20 V'luk yüksek bir önyargı voltajı ve düşük besleme voltajında ​​dedektörlerin piksel paralel tetiklenmesini gerektirir.Farklı besleme voltajları arasındaki cihaz izolasyonu nedeniyle küçük aralıklı SPAD piksellerinin elde edilmesi genellikle zordur.Bununla birlikte, yığılmış cihaz yapısı, SPAD ve CMOS mantık katmanlarını etkili bir şekilde ayırır, böylece SPAD ve genişletilmiş işlevsellik ile küçük piksel konfigürasyonlarının geliştirilmesini hızlandırır.

Şekil 15. Foton sayımının ölçüm sonuçları.(a) Dinamik aralık ve sinyal-gürültü oranı.(b) Yakalanan HDR görüntüsü.(c) Hareket artefaktı bastırma ile yakalanan görüntü.
IV.Algılama Yeteneğinin Genişletilmesi
Daha önce tanıtılan dinamik aralık ve küresel deklanşör özelliklerine ek olarak, yığınlanmış cihaz teknolojisi yalnızca sensör mimarisinin görüntü kalitesini artırmakla kalmaz, aynı zamanda uzamsal derinlik, geçici kontrast algılama ve görünmez ışık görüntüleme gibi algılama yeteneklerini de geliştirir.
A. Mekansal derinlik
Bölüm III-C'de açıklandığı gibi, Cu-Cu hibrit bağlamalı yığılmış cihaz yapısı, çok çeşitli uygulamalarda pratik SPAD teknolojisi için umut verici bir yaklaşımdır ve SPAD piksel aralığını 10 µm'nin altına düşürür.Foton algılama verimliliğini (PDE) iyileştirmek ve küçük piksel aralığıyla optik karışmayı azaltmak için, 2020'de tam kanal izolasyonu (FTI) ve Cu-Cu bağlanmasını içeren bir BI SPAD piksel dizisi rapor edildi. Şekil 16'da gösterildiği gibi, BI yığılmış SPAD'de SPAD piksel dizisi gelen ışığa tamamen açıktır ve tüm piksel transistörleri alt çipte uygulanmaktadır.Metal gömülü FTI, bitişik piksellerle karışmayı bastırmaya yardımcı olur.10 µm aralıklı SPAD pikselleri, yakın kızılötesi (NIR) spektroskopi ölçümlerinin hassasiyetini artırmak ve 850 nm ve 940 nm'de sırasıyla %31,4 ve %14,2'nin üzerinde yüksek PDE'ler elde etmek için 7 µm kalınlığında bir silikon katmana sahiptir.

Şekil 16. SPAD cihaz yapısı.(a) FI SPAD.(b) BI yığınlı SPAD.
2021'de, otomotiv LiDAR sistemleri için BI yığınlı SPAD kullanan 189 × 600 SPAD doğrudan uçuş süresi (ToF) sensörü rapor edildi.Tüm piksel ön uç devreleri, Şekil 17'de gösterildiği gibi, SPAD dizisi altındaki alttaki çipte uygulanmaktadır. Bir LiDAR sisteminde, yansıyan bir lazer darbesi alındığında, SPAD, ölü süresi 6 ns olan bir tetik darbesi üretir ve zaman-dijital dönüştürücüye (TDC) iletir.Üst ve alt yongalar, sırasıyla 10 bakır katman ile 90 nm SPAD ve 40 nm CMOS işlemlerini kullanır.Yığılmış yapı nedeniyle sensör, derinlik algılama için yapı taşları olarak bir çakışma algılama devresi, TDC ve dijital sinyal işlemcisi (DSP) içerir.Doğrudan ToF sensörü, 200 m'ye kadar genişletilmiş bir aralıkta 30 cm'lik bir mesafe doğruluğu sergileyerek, 117k lux'te güneş ışığında %95 yansıtıcılığa sahip nesneleri algılamasını sağlar.

Şekil 17. Doğrudan ToF derinlik sensörlü BI istiflenmiş SPAD.
BI yığılmış SPAD yapısı, gelişmiş özelliklere sahip SPAD tabanlı görüntüleme ve derinlik algılamada bir atılımdır.BI yığın yapısı kuantum verimliliğini artırır ve devreleri her bir SPAD'ın yanına yerleştiren geleneksel piksellere kıyasla SPAD'leri ve devreleri optimum silikon katmanlarına ayırır.Bu nedenle, yığılmış uygulama SPAD sensörlerinin geleneksel sınırlamalarının üstesinden gelir ve daha geniş bir uygulama yelpazesi için uygundur.
B. Zaman Kontrast Algılama
Olaya dayalı görüntü sensörleri (EVS), göreli ışık değişikliklerinin zamansal gelişimini izlemek ve mutlak yoğunluğun çerçevesiz piksel düzeyinde ölçümleri için örnekleme noktaları tanımlamak için önceden ayarlanmış göreli eşiklerin üzerindeki tek piksel zamansal kontrastı algılar.EVS ilk kez 2006'da rapor edildiğinden beri, kaydedilen verilerin zamansal kesinliği nedeniyle yüksek hızlı ve düşük güçlü makine görüşü, azaltılmış işlem sonrası maliyetlere yol açan geçici artıklığın doğal olarak bastırılması ve çok çeşitli senaryolar.DR işlemi.2019'da BI yapıları aracılığıyla piksel boyutu 9 µm aralığına düşürülse de, EVS, geniş piksel düzeyinde analog sinyal işleme nedeniyle büyük piksel boyutundan ve genellikle küçük çözünürlükten muzdariptir.Bu nedenle, EVS'ler özellikle piksel ölçekli Cu-Cu bağlantılarına sahip yığılmış cihaz yapılarındaki gelişmelerden yararlanır.
1280 × 720 4,86 ​​µm piksel aralığı BI yığınlı EVS 2020'de rapor edildi. Şekil 18, kontrast algılama (CD) fonksiyonunun piksel blok diyagramını ve piksel içi asenkron okuma arayüzü ile durum mantık bloklarının şematik bir diyagramını gösterir.Fotoakım bir voltaj sinyaline, Vlog'a dönüştürülür ve kontrast değişikliği, bir seviye geçiş karşılaştırıcısı kullanılarak saptanan asenkron delta modülasyonu (ADM) ile elde edilir.Şekil 19(a)'daki BI yığınlı EVS, 1 µs satır düzeyinde zaman damgalarına, saniyede 1.066 milyar olay (eps) maksimum olay hızına ve 35 nW/piksel ve 137 pJ/olay veri biçimlendirme ardışık düzenine ulaşır. yüksek hızlı, düşük güçlü yapay görme uygulamaları.Şekil 19(b), bazı örnek uygulamalar için sensör çalışmasını gösterir.1 lüks civarındaki trafik sahnesi kayıtları, düşük ışıkta kontrast hassasiyeti gösterir.Düşük gecikmeli piksellerden gelen yüksek zamansal doğruluk ve yüksek hızlı okuma işlemleri, sensörün 3D derinlik algılama uygulamalarında zamana göre kodlanmış yapılandırılmış ışık modellerini çözmesine olanak tanır.Şekil 20, EVS'deki piksel aralığının eğilimini göstermektedir.Yığılmış cihaz teknolojisi nedeniyle, pratik megapiksel kullanım durumları için EVS'nin piksel boyutu artık 5 µm aralığının altındadır.

Şekil 18. AGH'nin piksel blok şeması

Şekil 19. BI yığınlı AGH ve uygulama örneği.(a) Çipin mikrografı.(b) Uygulama Örnekleri.

C. Görünmez ışık görüntüleme
Yığılmış cihaz teknolojisi, hibrit entegrasyonda silikon olmayan fotodedektörler kullanarak görünmez ışık görüntülemeyi de kolaylaştırır.Hibrit entegrasyonlu silikon olmayan fotodetektörlerin örnekleri arasında InGaAs fotodetektörler, Ge-on-Si fotodetektörler ve organik fotoiletken filmler bulunur.Bu bölümde, Cu-Cu hibrit bağlama kullanan InGaAs sensörlerinin son sonuçları özetlenmiştir.
Kısa dalga kızılötesi (SWIR) aralığında (yani 1000 ve 2000 nm arasındaki dalga boylarında) görüntüleme talebi endüstriyel, bilimsel, tıbbi ve güvenlik uygulamaları için artmaktadır.InGaAs cihazları, SWIR sensörlerinde kullanılmıştır, çünkü SWIR aralığındaki absorpsiyon özellikleri silikon bazlı cihazlar tarafından kapsanamaz.Geleneksel InGaAs sensörlerinde, fotodiyot dizisinin (PDA) her pikseli, çarpmalar kullanılarak bir flip-chip hibrit aracılığıyla bir okuma entegre devreye (ROIC) bağlanır.Bu yapı tipik olarak, tümseklerin sınırlı ölçeklenebilirliği nedeniyle ince aralıklı piksel dizilerinin üretimini karmaşıklaştırır.2019'da, PDA'nın her 5 µm pikselinin Cu-Cu bağı kullanılarak ROIC'ye bağlandığı bir InGaAs görüntü sensörü tanıtıldı.InGaAs/InP heteroyapıları, çapları 4'ten küçük, ticari olarak temin edilebilen küçük InP substratları üzerinde epitaksiyel olarak büyütüldü. Şekil 21'de gösterildiği gibi, epitaksiyel InGaAs/InP plakaları yongalar halinde kesilir ve bir III-V kalıptan silikona kullanılarak büyük silikon plakalara aktarılır. işlem.Cu pedlerin imalatından sonra, III-V/Si heterowafer, her III-V pikseli ROIC karışımı ile ROIC'ye bağlamak için Cu-Cu bağını kullanır.Şekil 22, InGaAs sensörleri için flip-chip tümsekleri ve Cu-Cu yapıştırma için temas eğimi eğilimini gösterir.InGaAs sensörlerini üretmenin geleneksel yöntemi olan tümsekleri kullanan Flip-chip hibrit, dar işlem marjları ve zayıf tekrarlanabilirlik nedeniyle piksel aralığını küçültmek için uygun değildir.Bununla birlikte, Cu-Cu hibridizasyonu, 2016'dan beri yüksek verimle CMOS görüntü sensörlerinin seri üretimi için kullanılmaktadır ve InGaAs sensörlerine ara bağlantıların ölçeklenmesi için önemli bir teknolojidir.Şekil 22 ayrıca sisli bir senaryoda denetim ve güvenlik izlemeyi içeren bir uygulama örneğini göstermektedir.Böylece, InGaAs görüntü sensörleri, piksel düzeyinde Cu-Cu bağlantıları aracılığıyla HD SWIR görüntülemeyi mümkün kılar.

Şekil 21. InGaAs görüntü sensörü üretimi için süreç akış şeması.

Şekil 22. Cu-Cu bağlama ve InGaAs sensörleri için Flip-chip çarpma teması eğim eğilimleri ve uygulama örnekleri.
V. Akıllı Görüş Sensörleri
Yapay zeka işleme özelliklerine sahip kamera ürünlerine olan talep, Nesnelerin İnterneti (IoT) pazarı, perakende, akıllı şehirler ve benzeri uygulamalarda artıyor.Bu tür uç cihazlarda AI işlem gücü, gecikme, bulut iletişimi, işlem maliyetleri ve gizlilik endişeleri gibi saf bulut bilişim sistemleriyle ilişkili bazı sorunları ele alabilir.AI işleme özelliklerine sahip akıllı kameralar için pazar talepleri arasında küçük boyut, düşük maliyet, düşük güç tüketimi ve kurulum kolaylığı yer alıyor.Bununla birlikte, geleneksel CMOS görüntü sensörleri, yalnızca yakalanan görüntünün ham verilerini verir.Bu nedenle, AI işleme yeteneklerine sahip bir akıllı kamera geliştirirken, görüntü sinyali işlemcisi (ISP), evrişimli sinir ağı (CNN) işleme, DRAM ve diğer yetenekleri içeren IC'lerin kullanılması gerekir.
2021'de 12.3 megapikselden oluşan yığınlanmış bir CMOS görüntü sensörü ve CNN hesaplamaya ayrılmış bir DSP rapor edildi. Şekil 23'te gösterildiği gibi, sensör CNN çıkarım işlemcisine tam görüntü yakalama aktarımı ile entegre bir çözüm içerir ve 120 fps'de işlenebilir 4.97 TOPS/W DSP ve çip üzerinde CNN işleme kullanılarak görüntü yakalama dahil.İşlem bloğu, CNN giriş ön işleme için bir ISP'ye, CNN işleme için optimize edilmiş bir DSP alt sistemine ve CNN ağırlıklarını ve çalışma zamanı belleğini depolamak için bir 8 MB L2 SRAM'a sahiptir.Şekil 24, MobileNet v1.0 kullanan CNN çıkarım sonuçlarının bazı örneklerini göstermektedir.DSP alt sistemi, TensorFlow'a benzer çıkarım sonuçları gösterdi.Akıllı görüntü sensörleri, sensör üzerinde tüm CNN çıkarım sürecini çalıştırabilir ve yakalanan görüntüleri, MIPI arabirimi aracılığıyla aynı karede ham veri ve CNN çıkarım sonuçları olarak çıkarabilir.Sensör ayrıca küçük kameraları etkinleştirmek ve sistem güç tüketimini ve maliyetini azaltmak için CNN çıkarım sonuçlarının yalnızca SPI arayüzünden çıktısını da destekler.Sensör üzerindeki CNN çıkarım işlemcisi, kullanıcıların en sevdikleri AI modellerini gömülü belleğe programlamalarına ve bunları sistemin kullanıldığı yerin gereksinimlerine veya koşullarına göre yeniden programlamalarına olanak tanır.Örneğin bir tesisin girişine kurulduğunda, tesise giren ziyaretçi sayısını saymak için kullanılabilir;bir mağaza rafına monte edildiğinde, stokta kalma durumlarını tespit etmek için kullanılabilir;tavana monte edildiğinde, mağaza ziyaretçilerinin ısı haritalaması için kullanılabilir.Akıllı görüntü sensörlerinin, esnek AI modelleri kullanan çeşitli uygulamalar için düşük maliyetli uç AI sistemleri sağlaması bekleniyor.

Bu makale, yığılmış cihaz yapılarına sahip görüntü sensörü mimarilerindeki son başarıları gözden geçirmektedir.Yığılmış cihaz yapısı, sensör pikselleri ve CMOS devresi optimize edilmiş işlem teknolojisi kullanılarak uygulanan yüksek düzeyde paralel ADC'ler aracılığıyla, özellikle yüksek kare hızlarında ve yüksek piksel çözünürlüklerinde görüntü sensörü performansını büyük ölçüde artırır.Son çalışmalarda, piksel-paralel istifleme devreleri ve/veya daha akıllı işlem birimleri kullanılarak bazı sonuçlarla birkaç öneri yapılmıştır.Bu yeni zorluklar, daha yüksek ölçeklenebilirlik, her işlev için daha fazla proses teknolojisi optimizasyonu ve daha yüksek alan verimliliği gerektiriyor.Fotodedektörler, piksel ön uç devreleri, analog karışık sinyal ve dijital işlemciler ve bellekler, Şekil 25'te gösterildiği gibi daha verimli bir şekilde entegre edilebilir ve gelecekteki görüntü sensörü mimarileri, cihaz yığınlama teknikleri yoluyla yetenekleri genişletmek için daha fazla gelişme kazanacaktır.