硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”

李培刚

北京邮电大学教授、博士生导师

当下科技竞争日趋激烈，最受人关注的芯片技术更是日新月异。当IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和其合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，人类正一步步逼近电子芯片的物理理论极限。

硅光芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不必追求工艺尺寸的极限缩小，在制造工艺上，也不必像电子芯片那样严苛，必须使用极紫外光刻机（EUV）。

那么，硅光芯片能否突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”？

仍存需要突破的技术瓶颈

“硅光子技术的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京邮电大学教授、博士生导师李培刚告诉科技日报记者，早在上世纪90年代，IT从业者就开始为传统半导体芯片产业寻找继任者，光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。“因技术上的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才率先重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。”李培刚说。

李培刚告诉记者，硅光芯片制造技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件开发和集成的技术，其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。

李培刚表示，我国十分重视硅光芯片产业的发展。但刚开始时，国内的高端硅光芯片以设计为主，流片主要还是在国外，芯片制备的周期长、成本高，制约了我国硅光子技术的发展，“加之国外限制中国的芯片技术发展，采取了一系列措施，对我国硅光芯片企业的发展造成了较严重的影响。”

李培刚告诉记者，硅光技术发展主要可以分为3个阶段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。“目前硅光技术已经发展到了第二阶段。”李培刚说。

在他看来，尽管硅光技术日趋成熟，硅光芯片即将进入规模化商用阶段，但是仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等存在技术性挑战。

李培刚认为，我国在硅光芯片的研发上已经取得了技术突破，但在产业化方面，国产硅光芯片产业化技术还存在一些问题，包括结构设计、制造工艺、器件封装和应用配套等，需要不断发展成熟，“除了技术本身，硅光芯片的产业化也会受到材料、工艺、装备、软件、人才以及市场生态等综合因素的影响。所以，在对技术方面的研发进行投入之外，形成一个好的产业生态，搭建平台、优化生态，产业链上下游加大合作，对于硅光芯片的发展也是非常重要的。”李培刚说。

我国硅光芯片发展迅速

2017年11月28日，工信部正式批复同意武汉建设国家信息光电子创新中心，该中心由光迅科技、烽火通信、亨通光电等国内多家企业和研发机构共同参与建设，汇聚了国内信息光电子领域超过60%的创新资源，承载着解决我国信息光电子制造业“关键和共性技术协同研发”及“实现首次商业化”的战略任务，着力破解信息光电子“缺芯”的局面。

2017年，上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项，投入大量经费，布局硅基光互连芯片的研发和生产，旨在打造硅光芯片全产业链，掌握关键核心技术，让国内企业摆脱对国外供应商的依赖。

2018年10月，由重庆市政府重磅打造的国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司在重庆注册成立，首期投资超100亿元。

工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。

在政策支持下，我国硅光芯片发展迅速。2018年1月，国内第一个硅光子工艺平台在上海成立，缩小了我国在加工制造上与国外的差距。

2018年8月29日，中国信科宣布我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式投产。

2019年9月，联合微电子中心有限责任公司实现了8英寸硅基光电子技术工艺平台的通线。仅仅几个月，其自主开发的硅光工艺就达到了非常好的水平，并正式向全球隆重发布“180nm成套硅光工艺PDK”，这标志着该公司具备硅基光电子领域全流程自主工艺制造能力，开始向全球提供硅光芯片流片服务。

国家层面，支持硅光技术的利好政策纷至沓来，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。“根据各地的规划来看，很难看出各地布局实质性差异。各地将发挥自己原有的芯片产业基础，并积极引进新的企业，各尽所能发展硅光芯片产业。”李培刚说。

光与电未来将携手共赢

硅光技术因其诸多特性，已经成为业界下一个追逐的目标。随着产业化技术的不断成熟，产业环境不断优化，我国硅光芯片产业正蓄势待发。

根据英特尔的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期。2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块，预测硅光模块的市场增速为40%，2024年达到39亿美元，届时有望占据整体市场规模的21%。

“目前来看，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成，要实现全光计算还需要很长的一段时间。”李培刚说，光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。

“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”李培刚说，在制造工艺上，两者虽然在流程和复杂程度上相似，但光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级，“这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题”。

“光有光的优势，电有电的优势。”李培刚说，在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。

“硅光芯片技术目前还没有电子芯片成熟，所以未知的因素很多，未来应把两者很好地衔接起来。”李培刚认为，电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。“未来我们可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”李培刚说。

记者 吴长锋

来源： 科技日报

深度解读CMOS图像传感器

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。

但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。

目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。

CMOS图像传感器概述

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。

CMOS图像传感器基本工作原理

下图为CMOS图像传感器的功能框图。

首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。

然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。

因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。

这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。

CMOS图像传感器相关技术

像元结构和工作原理

CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。

下图上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的P．N结部位上[1]。当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS三极管源极P．N结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。

CMOS图像传感器阵列结构

下图所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。

（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元）

下图是CMOS摄像器件的原理框图。

如前所述，各MOS晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。

CMOS图像传感器的功能结构及工作原理

如图所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。

CMOS图像传感器结构类型

CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。

根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

无源像素被动式传感器

PPS出现得最早，结构也最简单，使得CMOS图像传感器走向实用化，其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替

光敏二极管像素单元

光敏二极管像素单元是由光敏二极管，复位管，源跟随和行选通开关管组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，复位管打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，复位管关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管打开，信号通过列总线输出。

光栅型APS

光栅型APS是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的。其中感光结构由光栅PG 和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管，一个源跟随器和一个行选通晶体管。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。

对数响应型CMOS-APS

对数响应型CMOS-APS拥有很高的动态范围。它由光敏二极管、负载管、源跟随器和行选通管组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。

PPS和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。

影响CMOS传感器性能的主要问题

噪声

这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN（Fixed pattern noise）、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。

暗电流

物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

象素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

CMOS图像传感器参数

1、传感器尺寸

CMOS图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

2、像素总数和有效像素数

像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。

3、动态范围

动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。

4、灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。

5、分辨率

分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。

6、光电响应不均匀性

CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。

7、光谱响应特性

CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。

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