CMOS 圖像傳感器 CIS 技術(shù)專(zhuān)利分析

0 引言

1990 年代末，步入 CMOS 時(shí)代。CMOS 圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）與傳統(tǒng)的 CCD 圖像傳感器相比，具有低功耗、讀出速度快、電壓低、易于與其他圖像處理電路集成的優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái) CIS 發(fā)展十分迅速，逐漸成為多數(shù)成像領(lǐng)域的主要選擇。本文從專(zhuān)利技術(shù)分析出發(fā)，分析了 CIS 技術(shù)的全球和中國(guó)專(zhuān)利發(fā)展?fàn)顩r，以及主要申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)情況，對(duì) CIS 技術(shù)的技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)做了梳理，并預(yù)測(cè)了 CIS 技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，期望能為國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人在 CIS 技術(shù)發(fā)展指明方向。

1 專(zhuān)利態(tài)勢(shì)分析

最早的 CIS 專(zhuān)利是在 1985 年日本松下申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?JP12182685A 的申請(qǐng)，其為 CIS 的發(fā)展拉開(kāi)了序幕。此后多年其專(zhuān)利產(chǎn)量相對(duì)較低，1985～1996 年期間 CIS 專(zhuān)利的年申請(qǐng)量?jī)H為個(gè)位數(shù)，屬于 CIS 專(zhuān)利技術(shù)的萌芽期。1997～1999 年期間處于緩慢發(fā)展期，2000～2006 年快速發(fā)展期，2005 年達(dá)到整個(gè)歷史發(fā)展的頂峰，這與日本索尼在2005 年提出 BSI 技術(shù)有關(guān)。2006 年后專(zhuān)利申請(qǐng)量呈下降趨勢(shì)，2011 年達(dá)到低谷，2012 年又出現(xiàn)小高潮一方面與 BSI 技術(shù)發(fā)展有關(guān)。另一方面與索尼在 2012 年提出堆疊式 CMOS 技術(shù)有關(guān)，2013～2017 年增加趨于平穩(wěn)，表明 CIS 專(zhuān)利技術(shù)的發(fā)展逐漸趨于成熟。2007 年至今是 CIS 專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展的成熟期。

2 國(guó)家分布以及主要申請(qǐng)人分析

專(zhuān)利百分比排名前五的國(guó)家分別為美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、日本和德國(guó)，而其他國(guó)家的占比均在 1% 左右，而 2012 年之前的排名為美國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)和德國(guó)。短短幾年中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量已經(jīng)超過(guò)日韓位居世界第二。一方面是因?yàn)橹袊?guó)專(zhuān)利制度越來(lái)越完善，另一方面表明越來(lái)越多的公司開(kāi)始重視中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)。從各國(guó)在華專(zhuān)利分布來(lái)看，美日韓申請(qǐng)人一直關(guān)注中國(guó)市場(chǎng)，而中國(guó)本土的申請(qǐng)是國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的主要來(lái)源。

全球排名前六的申請(qǐng)人分別是索尼、東部電子、美格納、東部高科、豪威以及美光，集中在美日韓。在華申請(qǐng)中排名前十的申請(qǐng)人為上海集成電路、中芯國(guó)際、東部亞南、臺(tái)積電、東部高科、天津大學(xué)、索尼、豪威、上海華力微電子、格科微電子，有兩位來(lái)自韓國(guó)，美日各占一名。一名來(lái)自臺(tái)灣，其余五位來(lái)自國(guó)內(nèi)。近年來(lái)中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)雖然迅猛，但是申請(qǐng)比較分散，中國(guó)申請(qǐng)?jiān)?CIS 領(lǐng)域的專(zhuān)利布局還需加強(qiáng)。

3 技術(shù)演進(jìn)

CIS 的發(fā)展主要分為四個(gè)階段（圖 2）。

第一階段萌芽期（1985～1996 年）：在 1990 年代初，無(wú)源像素 CIS（PPS）作為第一代 CIS 進(jìn)入市場(chǎng)，相對(duì)初期CIS，PPS 主要改善了信噪比。之后，有源像素 CIS（APS）作為第二代 CIS 相繼出現(xiàn)，主要改善了讀出噪聲、讀出速度，并在之后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，APS 一度成為 CIS 的研究焦點(diǎn)，這一時(shí)期專(zhuān)利數(shù)量不多。

第二階段緩慢發(fā)展期（1997～1999 年）：在 1990 年代末，美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了數(shù)字像素 CIS（DPS），使用像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)單元，最大程度降低信號(hào)在排列中的衰減和干擾，提升成像質(zhì)量。卷簾快門(mén)技術(shù)也在這一時(shí)期出現(xiàn)，卷簾快門(mén)通過(guò)對(duì)每列像素使用 A/D 來(lái)提高讀取速度，每列像素?cái)?shù)量可達(dá)數(shù)千，縮短了讀取時(shí)間提高了幀速率，但對(duì)動(dòng)態(tài)物體會(huì)產(chǎn)生畸變。

第三階段是快速發(fā)展期（2000～2006 年）：新技術(shù)層出不窮，2000 年全局快門(mén)技術(shù)出現(xiàn)，增加采樣保持單元，動(dòng)態(tài)物體無(wú)畸變，但引入了新噪音源。佳能提出一系列關(guān)于提高分辨的技術(shù)，東部電子提出了減少暗電流產(chǎn)生以及減少光刻次數(shù)的技術(shù)，三星提出了高速讀取技術(shù)；索尼在 2005 年提出 BSI 技術(shù)[2-4]，加速了 CIS 技術(shù)的發(fā)展，隨后索尼在結(jié)構(gòu)縮減和性能提升方面不斷改進(jìn)，并將 BIS 技術(shù)應(yīng)用到第五代 Exmor 產(chǎn)品中。在這一時(shí)期索尼還提出了在數(shù)字電路進(jìn)行 CDS 改進(jìn)以降低 CFPN 的系列技術(shù)[5,6]。

第四階段發(fā)展成熟期（2007 年至今）：索尼將全局快門(mén) CMOS 芯片小型化，三星改進(jìn) BIS 技術(shù)提升感光度，國(guó)際商業(yè)機(jī)器實(shí)現(xiàn)全局快門(mén)模式下背面照射，佳能提出在全局快門(mén)中為保持單元遮光消除新噪聲源；2011 年索尼提出采用堆疊式 CIS 結(jié)構(gòu)與 BSI 結(jié)構(gòu)結(jié)合的新技術(shù)，并將其應(yīng)用到第六代 Exmor 產(chǎn)品中。同年三星提出將 RGB 和 Z 像素設(shè)置在同一芯片上；2012 年索尼提出改進(jìn) RGBW 不損害質(zhì)量提升靈敏度的技術(shù)；2015 年松下提出基于 APD 的 CIS 技術(shù)，在弱光環(huán)境中不需要增加曝光時(shí)間可實(shí)現(xiàn)高色階彩色成像，但具有增大攝像頭體積的缺點(diǎn)。從 2014 年開(kāi)始，松下與富士耗時(shí) 5 年聯(lián)合開(kāi)發(fā)了 OPF CIS 技術(shù)；2016 高通也提出了一種 OPF 傳感器，用 OPF 取代了光電二極管，將感光部分厚度從 3 μm 降到 0.5 μm，留下更多空間給電荷存儲(chǔ)。2018 年松下提出基于 OPF 的雙敏像素技術(shù)，采用兩個(gè) FD 連著大小不同的 OPF，分別存儲(chǔ)了不同子像素電荷，這樣可以構(gòu)成雙曝 HDR，進(jìn)一步擴(kuò)大傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。松下還將高速噪聲消除技術(shù)以及高飽和度技術(shù)整合至電路，同時(shí)利用傳感器的獨(dú)特敏感度控制功能來(lái)改變施加到 OPF 的電壓，實(shí)現(xiàn)全局快門(mén)功能。由于 AI 時(shí)代的到來(lái)，相對(duì)于過(guò)去拍攝的需求，需要增加感知功能，這樣才能適應(yīng) AI 的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。

由于 OPF 傳感器具有大動(dòng)態(tài)范圍、全局快門(mén)、光電轉(zhuǎn)換靈活可控、對(duì)近紅外光敏感等優(yōu)點(diǎn)，OPF 傳感器將成為下一代 CIS。

4 結(jié)語(yǔ)

CIS 技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)分為四個(gè)階段，主要申請(qǐng)人集中在日美韓，其不僅研發(fā)時(shí)間早，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量多，還掌握了大部分核心技術(shù)。雖然我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究起步晚，但隨著國(guó)內(nèi)加大對(duì)于半導(dǎo)體人才培養(yǎng)的扶持力度，每年都有大量半導(dǎo)體人才誕生，國(guó)內(nèi)企業(yè)在人才獲取上的情況正在逐漸好轉(zhuǎn)。

此外，許多企業(yè)對(duì) CIS 技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，盡管大多是在原有架構(gòu)基礎(chǔ)上的改進(jìn)，但取得了不錯(cuò)的技術(shù)效果，并且有一部分廠商已經(jīng)向 CIS 中高端市場(chǎng)邁進(jìn)。雖然整體看來(lái)，我國(guó)本土 CIS 與國(guó)際巨頭相比仍然存在差距，但本土 CIS 廠商可以利用新興領(lǐng)域市場(chǎng)在中國(guó)的發(fā)展熱潮，加強(qiáng)專(zhuān)利布局，重視核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)，來(lái)?yè)屨嘉磥?lái) CIS 的發(fā)展機(jī)會(huì)。