據麥姆斯諮詢報導，近日，在MDPI期刊上發表的論文《基於多重無損信號採樣的單光子CMOS圖像傳感器像素的仿真與設計》，作者為來自英國開放大學（Open University，OU）和歐洲南方天文台（European Southern Observatory，ESO）的Konstantin D. Stefanov、Martin J. Prest、Mark Downing、Elizabeth George、Naidu Bezawada和Andrew D. Holland。該論文論證了採用180nm工藝製程，可獲得具有等效電荷噪聲（ENC）為0.15 e-RMS、像素為10μm的單光子CMOS圖像傳感器。
半導體圖像傳感器實現SP（Single-Photon，單光子）靈敏度的方法主要有兩種。第一種方法，在轉換成電壓之前，通過物理手段內部放大光生電荷。通過這種方式，信號將提高並高於本底噪聲，從而實現可靠的SP檢測。典型的例子有單光子雪崩光電二極體（SPAD）和電子倍增CCD（electron multiplying CCD，EMCCD），初級光生電子經雪崩倍增。這兩種方法都可以用於分辨單個光子；然而，在電荷陷阱和高壓的作用下，SPAD中的單光子存在較高暗電流率和後脈衝等缺陷，同時在EMCCD中也存在雜散電荷和過量噪聲等問題。
第二種方法是將傳感器的讀出噪聲降低到一個電子平方根（electron RMS）等效電荷噪聲以下。研究表明對於目前的單光子成像儀來說，誤差率基本可以忽略，ENC必須小於0.15 e-RMS。CMOS圖像傳感器（CMOS image sensor，CIS）技術的最新進展已顯著降低了讀出噪聲，並報導了ENC低於0.3 e-RMS的CMOS圖像傳感器。這些進展通過使用特殊的設計和工藝技術，並且提高MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬-氧化物半導體場效應電晶體）的噪聲性能，使傳感器的轉換增益增加到200 μV/e以上。使用這些方法的確可以進一步改善噪聲，但是隨著噪聲接近期望的0.15 e-RMS水平，困難也會增加。
該論文摘要中寫道：「此論文描述了基於多電荷轉移和鉗位光電二極體（pinned photodiode，PPD）的單光子CMOS圖像傳感器設計，以及採樣結果。在CMOS圖像傳感器的PPD像素結構中，對光生信號進行多次無損採樣，最後取所有結果的平均值。每個信號的檢測都具有統計意義的獨立性，並且通過平均，將電子讀出噪聲降低到能夠可靠分辨單個光子的水平。實驗小組用TCAD（Technology Computer Aided Design，半導體工藝模擬及器件模擬工具）軟體對該方法的像素設計進行了模擬，並生成了若干180nm CMOS圖像傳感器的布局。通過仿真，確定了像素的噪聲性能與採樣數、電容感測節點、採樣率和電晶體特性之間的函數關係，並詳細討論了該設計的優缺點，包括噪聲性能和讀出速率之間的取捨，以及電荷轉移效率低下（charge transfer inefficiency，CTI）的影響。目前，第一台原型器件的預測性能表明單光子成像已觸手可及，而且可以在眾多科學和工業成像領域實現突破性的性能。」下面對該論文內容做簡要闡述。
由於CMOS圖像傳感器具備固定的並行讀出架構，因此有可能滿足市場對提高讀取速度的強烈需求。對於絕大多數CMOS圖像傳感器具備固定的並行讀出架構來說，均可同時讀取一整行像素，與只能讀取單個或較少輸出的傳感器，如CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）相比，可以將讀出時間降低三個數量級。此外，現代CMOS圖像傳感器中更精細的特徵尺寸使浮柵型圖像傳感器讀出電路的轉換增益遠高於CCD。這種更精細的特徵尺寸可以在單次測量中顯著降低讀出噪聲，從而減少信號樣本平均數量。
在此論文中，研究小組研究了基於CMOS圖像傳感器的Skipper設計對於實現單光子可見光成像的深亞電子讀出噪聲的適用性。論文第2章節介紹了其工作原理和TCAD仿真數據，第3章節進行了噪聲分析，第4章節則主要對像素設計和布局及其預期性能進行重點闡述。如需了解更多信息，請參考https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2031/htm。
此次實驗過程中，研究小組選擇了PPD作為光敏元件，並將其與基於BC（buried channel） CCD（埋溝CCD）結構相結合以進行多重信號採樣。圖1顯示了新像素方案的簡化圖。圖2顯示了像素工作時的電位圖。
結論
該論文提出了一種在CMOS圖像傳感器技術中使用多個無損信號採樣的單光子圖像傳感器的概念。通過對獨立統計的多個信號樣本求平均值，樣本數的平方根可減小讀出電路噪聲。因此噪聲水平可降低到等效電荷噪聲（ENC） < 0.15 e-RMS，該數據被認為是能夠可靠區分單個電子所必需的水平。因此最終成像只受配准光子的散粒噪聲限制，而不受電子噪聲的影響。
新的像素設計使用嵌入式光電二極體作為光敏元件，每個像素的埋溝CCD通過感測柵極和信號電荷之間的電容耦合進行多次電荷轉移和無損信號讀出。在TCAD中對該像素設計方法進行了模擬，並生成了若干180nm CMOS圖像傳感器的布局。由於CMOS圖像傳感器中大量的並行讀出，因此與「Skipper CCD」技術相比，讀出速率會顯著提高。通過仿真，確定了像素的噪聲性能與採樣數、電容感測節點、採樣率和電晶體特性之間的函數關係。
最終的結果表明，在CMOS圖像傳感器技術中使用多重無損信號採樣的單光子成像是可行的。我們的設計和仿真結果表明，使用目前的技術，以約100 fps的速度運行百萬像素級傳感器是可行的。這種傳感器可以在諸如天文學、自適應光學、生物成像、量子技術和自動系統等領域具有廣泛應用。
接下來，我們的下一工作目標是在晶片上實現具有數位訊號平均的全尺寸成像儀。
論文連結：https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2031/htm