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影像感測器(二):技術與產業篇

工控/安控與自駕車市場是整體CIS市場成長最主要的驅動力。Sony

CMOS影像感測器(CIS)的製程與DRAM有些相似,都是金屬層較少、對電荷敏感的陣列結構。陣列中畫素越多,圖像的解析度越高。目前三星電子(Samsung Electronics)已做到上億畫素,所以製程微縮一直是競爭的主軸之一,但是只是之一。

每個入射的光子能產生的電子-電洞對數目有限(這比例叫量子效率;quantum efficiency),所以要增強圖像的訊號,除了前述的3~6個CMOS中已經包含了信號放大器外,就是增加光電二極體的曝光面積,以增加訊號強度,但是製程微縮拿走了寶貴的面積。這與DRAM中的電容在製程微縮的過程中所遇到的兩難問題類似-製程微縮逐漸剝奪儲存電荷所需的電容面積,儲存電荷降低進而降低了0/1狀態的訊號強度。光學加諸於結構單元的限制較之於電容加諸於記憶體單元結構的要求嚴苛的多。電容在製程微縮之後還可以向上長以維持電容面積大致不變,CIS只能在結構盡其所能的收集光,以及増加光電轉換效率。是以DRAM的製程推進雖然艱難,但是目前也到達1a節點(約14nm),而CIS最精細的製程猶滯留在40nm,正待向28nm出發。

因為製程相似卻落後於DRAM,CIS曾經被DRAM公司當成產品雁行梯隊的次世代產品;晶圓廠在生產完先進世代DRAM、設備折舊完後,略加改裝又可重披戰袍生產最先進世代的CIS。過去的美光(Micron)這樣做,現在的三星和SK海力士(SK Hynix)也這樣做。

一個降低製程微縮帶來受光面積減少衝擊的方法是提高充填因子(filling factor),意義是每個CIS單元中實際於用受光的面積,這與增加DRAM的單元效率(cell efficiency;晶片上實際用於記憶功能的面積比例)有異曲同功之妙。這是CIS產品重要的性能參數之一。

緊密的陣列排列是能提高畫素的原因之一,然而緊密的排列容易造成鄰近的單元訊號串擾(cross talk),所以單元之間要有隔絕的手段,深溝隔絕(deep trench isolation)是現在常用的手段。但是噪音的來源可不只是隔壁單元。即使在完全無入射光的狀況下,也可能有其他原因誘發的電流,叫暗電流(dark current),這個需要在製程和結構下工夫。訊噪比(signal-to-noise ratio)是另一個重要的性能指標。

動態範圍(dynamical range)也是一個性能指標。CIS在太亮或太暗的狀況下會完全失去圖像解析能力,最高和最低照度中間的工作區就叫做動態範圍。寛廣的動態區間顯然是較好的性能。要擴大動態範圍,除了在元件物理上下工夫外,另外要靠ISP拼湊各個小的標凖動態區間,形成較寛廣的動態區間。

低光表現(low light performance)是另一個指標,特別在工控、安控和自駕車領域的應用。當高畫素的製程不斷推進、畫素大小低於0.7、0.6µm,但是需要在低光環境下有高靈敏度的CIS仍然停留在以0.13µm製程製作、3.0µm畫素大小的範圍。推到極致,單光子雪崩二級體(SPAD;Single Photon Avalanche Diode)也開始派上用場。這個元件可以偵測單一光子,用途之一是用於以光子的飛行時間(ToF;Time of Flight)協助3D成像,提供自駕車的判斷。另一個用途更時髦,用於以光子為量子位元之量子計算機來測量單光子量子狀態。

CIS產業與DRAM產業最大的不同是沒有產業的產品標凖,如DDR4或DDR5,所以競爭的不只是價格。雖然手機佔了近2/3市場,但這個市場相對比較紅海,排名第2、第3的工控/安控與自駕車市場卻是整體市場成長最主要的驅動力。另外的市場就更細碎了,容許小廠家尋覍個別小生態區存活。雖然Sony及三星市場佔比加起來近7成,但是產能不過十萬片出頭,這與其他次產業的絕對寡佔有所不同。另外,光學的性質在這領域的重要性不亞於矽基的電子元件,新物質的發現和採用很可能改變市場秩序和競爭要素。前一陣子清華大學以二維材料二硫化鉬(MoS2)做光受體的硏究就受到廣泛的注意。

這是個還算年輕的產業和市場,容許小的後起創新者加入。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。