淺析基于量子成像的下一代甚高靈敏度圖像傳感器技術(shù)

高靈敏度探測成像是空間遙感應(yīng)用中的一個重要技術(shù)領(lǐng)域，如全天時對地觀測、空間暗弱目標跟蹤識別等應(yīng)用，對于甚高靈敏度圖像傳感器的需求日益強烈。隨著固態(tài)圖像傳感器技術(shù)水平的不斷提高，尤其背照式及埋溝道等工藝的突破，使得固態(tài)圖像傳感器的靈敏度有了極大提升。

固態(tài)高靈敏圖像傳感器，尤其是科學(xué)級CMOS圖像傳感器，憑借其體積小、集成度高及功耗低等優(yōu)勢，在空間高靈敏成像領(lǐng)域的應(yīng)用中異軍突起。盡管科學(xué)級CMOS圖像傳感器可以實現(xiàn)低照度高靈敏成像，但還遠未達到單光子探測的輻射分辨能力。量子CMOS圖像傳感器的出現(xiàn)，對于拓寬空間遙感高靈敏成像應(yīng)用領(lǐng)域、提升相應(yīng)的應(yīng)用水平具有十分重要的意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，北京空間機電研究所潘衛(wèi)軍研究員課題組在《航天返回與遙感》期刊上發(fā)表了以“基于量子成像的下一代甚高靈敏度圖像傳感器技術(shù)”為主題的文章。潘衛(wèi)軍研究員主要從事圖像傳感器設(shè)計與應(yīng)用的研究工作。

這項研究圍繞具有單光子分辨能力的量子CMOS圖像傳感器這一新型甚高靈敏度圖像傳感器，從單光子探測的噪聲特性以及固態(tài)圖像傳感器的高靈敏技術(shù)機理出發(fā)，對實現(xiàn)甚高靈敏性能的關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹；在此基礎(chǔ)上，詳細論述了量子CMOS圖像傳感器的技術(shù)發(fā)展歷史，并將量子CMOS圖像傳感器與其他主流單光子探測傳感器的性能進行了對比，總結(jié)分析了未來量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢，最后針對不同的航天遙感應(yīng)用需求，分析并展望了量子CMOS圖像傳感器的應(yīng)用模式及應(yīng)用特點。

圖像傳感器的探測機理

要達到單光子探測的甚高靈敏度要求，對等效輸入讀出噪聲的大小有嚴格要求。甚高靈敏度圖像傳感器類似用于觀測輻射強度的“顯微鏡”，其本身的噪聲只有達到深亞電子水平才能實現(xiàn)單個光子的分辨能力，所以，甚高靈敏度就意味著甚低噪聲。減小噪聲的技術(shù)途徑主要包括：（1）增大信號增益；（2）減小各級噪聲；（3）實現(xiàn)足夠小的暗電流，由于暗電流引入的散粒噪聲是無法通過增大信號增益來抑制的，只能通過工藝上的優(yōu)化來降低暗電流，從而減弱暗電流散粒噪聲的影響。另外，根據(jù)增大信號增益的不同方法，形成了目前兩種不同的甚高靈敏圖像傳感器主流技術(shù)，一種是以EMCCD和SPAD為代表的通過電荷域內(nèi)的電荷數(shù)放大實現(xiàn)信號高增益放大的技術(shù)，另一種則是以科學(xué)級CMOS和量子CMOS圖像傳感器為代表的通過增大電荷-電壓轉(zhuǎn)換增益或者跨導(dǎo)積分增益實現(xiàn)高增益放大的技術(shù)。

在固態(tài)圖像傳感器領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三次技術(shù)飛躍：第一次為無源像素到有源像素的發(fā)展；第二次為科學(xué)級CMOS圖像傳感器的發(fā)展；第三次是量子CMOS圖像傳感器的發(fā)展。量子CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要有深亞飛法低浮置擴散（FD）電容技術(shù)、跨導(dǎo)變積分放大技術(shù)以及列級相關(guān)多采樣（CMS）技術(shù)等。

深亞飛法級小電容技術(shù)

目前具有單光子探測能力的主流甚高靈敏度圖像傳感器包括單光子雪崩二極管（SPAD）、EMCCD、科學(xué)級CMOS以及量子CMOS圖像傳感器，對這些器件從分辨率、像元尺寸、量子效率、響應(yīng)速度、暗電流以及讀出噪聲六個維度進行了性能比較。

主流單光子圖像傳感器的性能比較

量子CMOS圖像傳感器的未來發(fā)展趨勢將向更低噪聲繼續(xù)推進，更靈活的智能化成像模式。隨著航天遙感應(yīng)用層次的不斷深入以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，甚高靈敏圖像傳感器的應(yīng)用需求也將越來越廣泛。如何更充分地發(fā)揮其甚高靈敏的特點，需要結(jié)合不同的遙感應(yīng)用做深入分析，主要應(yīng)用有：全天時對地觀測、空間態(tài)勢感知、定量反演。除了上述應(yīng)用領(lǐng)域，量子CMOS圖像傳感器因其優(yōu)異的超低噪聲性能，還可以應(yīng)用到星敏傳感器設(shè)計、系外行星探測等領(lǐng)域。可以預(yù)見，隨著量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的進一步發(fā)展，勢必在更多領(lǐng)域得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。

量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的重大突破，給高靈敏圖像傳感器在航天遙感應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用格局帶來重大變化。因此，應(yīng)當(dāng)積極提前布局，一方面深入研究量子CMOS圖像傳感器的技術(shù)特點，另一方面，結(jié)合航天遙感應(yīng)用的需求特點，在拓展應(yīng)用領(lǐng)域、提升應(yīng)用水平方面，尋求與量子CMOS圖像傳感器技術(shù)優(yōu)勢的契合，實現(xiàn)我國航天光學(xué)遙感器技術(shù)水平的跨越式發(fā)展。

該項目獲得國家重大科技專項工程的支持。

來源：MEMS