文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
自從1989年被首次提出，CMOS圖像傳感器（CIS）經(jīng)歷了強勁增長。就銷量而言，CIS占光電器件市場的收入超過 40%。不過，近日研究機構(gòu)ICInsights發(fā)布預(yù)測稱CIS在2022年可能出現(xiàn)下滑，預(yù)計全球出貨量下降11%到61億顆，銷售額下降7%。那么，CIS市場的下滑處于集成電路周期還是技術(shù)迭代節(jié)點到來了呢？如果存在一種技術(shù)要接替CIS在圖像傳感器中的地位，這種技術(shù)又會是什么呢？
2022是CIS的轉(zhuǎn)折點嗎？
先來回答第一個問題，2022年會成為CIS芯片轉(zhuǎn)向消亡的轉(zhuǎn)折點嗎？
答案是否定的。雖然今年CIS市場會下行，但I(xiàn)Cinsights預(yù)測明年CIS市場將溫和復(fù)蘇，全球市場收入預(yù)計增長 4% 至 193 億美元，然后在 2024 年增長 13% 達(dá)到 217 億美元的新高。
CIS市場的下滑的主要原因是消費電子的低迷。索尼執(zhí)行副總裁兼首席財務(wù)官 Yuichi Oshima 表示，如果 2022 年下半年高端智能手機的銷量低于最初的預(yù)期，索尼將推遲擴張計劃。
手機是CIS最大的應(yīng)用市場。過去一段時間智能手機攝像頭數(shù)量的增加成為CIS芯片增長的動力，Counterpoint Research表示平均每部智能手機將配備4顆CIS芯片。盡管全球手機出貨量下降，但單個手機配備的攝像頭數(shù)量的提升讓手機CIS市場仍能保持一定程度的增長。
疫情暴發(fā)初期，居家辦公、線上學(xué)習(xí)的需求讓CIS市場迎來新一輪的增長。在2020年CIS市場增長4%，2021年增長了5%。但疫情帶來的增量已經(jīng)飽和，而全球性的通貨膨脹導(dǎo)致了消費者信心下降，消費電子市場的寒冬來了，CIS市場最大的增長動力變了。
誰是CIS市場新的成長動力？
行業(yè)普遍將汽車賽道視作CIS新的增長動力。隨著汽車智能化的提高，車載CIS芯片市場快速增長。隨著高級別智能駕駛的滲透，汽車攝像頭數(shù)量的增加。隨著智能駕駛由L1 升級至L2/L3 級，攝像頭顆數(shù)從最初的5 顆左右增加至8~15 顆；同時車載CIS 也逐步像素升級，從VGA→1M→2M→8M，單顆攝像頭價值量逐步提升，量價提升帶來車載CIS 市場規(guī)模的提升。當(dāng)前每輛車可能需要2顆以上CIS，預(yù)計到2025年增加到10顆以上，2030年更增加到13~19顆。
除了汽車賽道，基于元宇宙概念的VR/AR設(shè)備也可能成為CIS芯片的增長動力。為了幫助用戶實現(xiàn)使用虛擬形象進(jìn)行社交的需求，VR需要捕捉從肢體到面部等細(xì)節(jié)部位的動作。未來消費級VR頭顯設(shè)備可能會配備超過6個種類的攝像頭，其中包括定位攝像頭、眼球追蹤攝像頭、ToF攝像頭和RGB攝像頭，分別用來完成inside-out tracking設(shè)備自身的定位，眼球追蹤，手勢追蹤，以及實現(xiàn)see through等功能。根據(jù)Omdia的預(yù)測，全球VR頭顯所用CIS出貨量將以41%的年均增長率增長，2026年將超過2億顆。
新的應(yīng)用場景意味著CIS需要應(yīng)用新的技術(shù)。2021年，索尼通過Stacked技術(shù)將原本在一片襯底上的光電二極管和像素晶體管分離到不同襯底上，這樣光電二極管表面積能夠翻倍，能夠接收到更多光線。同時索尼使用新的連接結(jié)構(gòu)，讓耐熱性從傳統(tǒng)400℃提升到1000℃。不過這種更新，仍然是以CMOS圖像傳感器為基礎(chǔ)，那么是否存在革命性的圖像傳感器去替代CIS呢？
誰能接替CIS？
在討論下一代圖像傳感器之前，不妨先去了解CIS上一代的傳感器。
CIS的登場淘汰了CCD傳感器，CCD 傳感器是一種“電荷耦合器件”。CCD和CMOS圖像傳感器都通過使用數(shù)千個或數(shù)百萬個稱為光點的光捕獲井捕獲光子來將光轉(zhuǎn)換為電子。拍攝圖像時，感光點會被揭開以收集光子并將它們存儲為電信號。在 CCD 將光轉(zhuǎn)換為電子，電荷通過芯片傳輸并在陣列的一個角落讀取，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將每個光點的電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。
CIS則將光敏像素的電荷轉(zhuǎn)換為像素位置的電壓。然后，信號按行和列多路復(fù)用到多個片上數(shù)模轉(zhuǎn)換器。因為每個光點都可以單獨讀取所以CIS相對于CCD更加靈活。
CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節(jié)點將其轉(zhuǎn)換為電壓。CMOS 成像器將電荷轉(zhuǎn)換為每個像素內(nèi)的電壓。
CCD 圖像傳感器一直是需要高質(zhì)量圖像的傳統(tǒng)選擇。醫(yī)療和科學(xué)應(yīng)用中的大多數(shù)相機都基于 CCD 技術(shù)。但它的缺點也十分明顯：讀取時間更長，功耗更高。目前CCD主要應(yīng)用于工業(yè)自動化和機器視覺。但隨著CIS分辨率的提高，CCD的應(yīng)用場景正逐漸被CIS替代。
目前被看作可能下一代主流圖像傳感器的產(chǎn)品主要有兩種：QIS和QDIS。
QIS：量子圖像傳感器
ERIC R. FOSSUM 和 KAITLIN ANAGNOST提出了一種量子圖像傳感器（Quanta image sensor,QIS）。在 QIS 中，每個“圖像像素”都被劃分為一組稱為小點的較小像素最小單元稱為映像點（jots)，每個jot對光子計數(shù)都足夠敏感。光電子被逐個計數(shù)，并根據(jù)組合的空間和時間光子計數(shù)數(shù)據(jù)計算圖像。
量子圖像傳感利在每個像素元件中實現(xiàn)了極小的輸出電容，從而極大地放大了每個光子產(chǎn)生的電信號。由于這種極高的信號放大率，與CMOS傳感器相比，量子圖像傳感器的相對噪聲降低了5到10倍，從而在室溫條件下實現(xiàn)了準(zhǔn)確的單光子探測和光子數(shù)分辨。
QIS的基本成像原理由彩色濾波器陣列、光子帕松（Poisson）分布、讀取雜訊和類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。
在這些設(shè)備中，信號光電荷以模擬形式集成在傳感器中，并在讀出時數(shù)字化為 8-14 位分辨率。在QIS 之中，信號在芯片上或芯片外進(jìn)行數(shù)字集成，并且圖像像素由時空小室計算形成 jot 值。雖然它一次成像一個光子（或有時在多位 QIS 中更多），但使用 QIS 的固有過度曝光寬容度和多種高速曝光技術(shù)仍然可以實現(xiàn)高動態(tài)范圍 (>120 dB)。
真實 QIS 圖像和模擬 CIS 圖像之間的比較。即使不考慮較低暗電流的優(yōu)勢，QIS 在光子饑餓狀態(tài)下的性能也比 CIS 好得多。
在超低光應(yīng)用中，例如生命科學(xué)或天文學(xué)中的科學(xué)成像，或在低光航空航天和國防和安全應(yīng)用中，光子計數(shù)成像至關(guān)重要。低功耗 QIS 設(shè)備也將在微光物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得以應(yīng)用，尤其是在云中完成計算圖像形成的情況下。Gigajot Technology正在探索其他潛在應(yīng)用，包括量子密碼學(xué)和電影攝影。
QIS可以通過CMOS技術(shù)生產(chǎn)，因此在成本方面也問題不大。但如果應(yīng)用于消費領(lǐng)域QIS仍存在一些問題，如彩色成像能力、閃光攝影。
QDIS量子點圖像傳感器：
量子點 (QD) 也稱為納米級半導(dǎo)體晶體，是具有獨特光學(xué)和電子特性的納米顆粒，例如明亮和強烈的熒光。由于大多數(shù)常規(guī)有機標(biāo)記染料不提供近紅外 (>650 nm) 發(fā)射可能性，因此具有可調(diào)光學(xué)特性的量子點引起了廣泛關(guān)注。它們具有良好的化學(xué)和光穩(wěn)定性、高量子產(chǎn)率和尺寸可調(diào)的發(fā)光特性。不同類型的量子點可以用相同的光波長激發(fā)，并且可以同時檢測到它們的窄發(fā)射帶以進(jìn)行多種測定。
比利時研究機構(gòu) IMEC 和相機制造商 SWIR Vision Systems 發(fā)表了關(guān)于在紅外成像中使用量子點的論文。韓國中央大學(xué)的 Sung Kyu Park 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員表示他們已經(jīng)開發(fā)出一種利用量子點技術(shù)的新型傳感器。該傳感器使用垂直堆疊的量子點，每個量子點都對特定的光頻率敏感。當(dāng)光穿過不同調(diào)諧的點層時，只有與特定頻率的點發(fā)生反應(yīng)的光才會被觸發(fā)，這就是傳感器如何知道記錄該信息的顏色的方式。
研究人員表示，與傳統(tǒng)圖像傳感器相比，像素結(jié)構(gòu)每個像素使用的面積要小得多，這意味著與當(dāng)前的 CMOS 技術(shù)相比，可以將更多的像素放置在空間中。
用于可見光的量子點圖像傳感器（右）與傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)（左）相比具有多個優(yōu)勢，包括其相對薄、消除了阻礙接收光子的反射以及減少了過濾由錯誤的光電二極管接收到的光子引起的錯誤。
在傳統(tǒng)的光電探測器中，缺陷很少而且相差甚遠(yuǎn)，因此效率超過 50%。對于基于 QD 的光電探測器，這個數(shù)字通常小于 20%。盡管量子點本身在吸收光方面優(yōu)于硅，但基于量子點的光電探測器的整體效率仍無法與之競爭。
2017年的時候，蘋果收購了號稱替代CMOS的量子薄膜攝像頭廠商InVisage Technology，試圖開發(fā)自己的相機模塊。雖然收購價沒有被披露，但是獲得的融資總規(guī)模超億美金，破了當(dāng)時的行業(yè)歷史記錄。但這家公司被蘋果收購后似乎就銷聲匿跡了。業(yè)界認(rèn)為“蘋果決定停止開發(fā)量子點圖像傳感器，因為它對于大規(guī)模生產(chǎn)來說太貴了?！盜nVisage的CEO在2017年7月到2019年1月之間在蘋果公司從事了一段時間“特殊項目的并購整合”后，也離開了蘋果。
2021年，意法半導(dǎo)體在IEDM會議上宣布了自研的量子點短波紅外（SWIR）圖像傳感器。意法半導(dǎo)體稱，該傳感器的成本可能會降至1美元左右，或許這能成為量子點圖像傳感器商用的機會。
結(jié)語
屬于CIS的時間還有多久？
五年內(nèi)，手機中很可能會安裝新的圖像傳感器，使用戶能夠在弱光下拍攝更好的照片和視頻，改進(jìn)面部識別技術(shù)，并以CIS無法做到的方式將紅外光電檢測融入我們的日常生活。不過，這不意味CIS的時代的結(jié)束。