SK海力士Q-lens技术改进了CMOS图像传感器

CIS（CMOS图像传感器）主要作为各种消费类和IT设备的成像器件，由于近年来CIS的市场规模迅速扩大，许多厂商都投入资金和人力进行研发，SK海力士公司以其半导体技术优势进入CIS领域后迅速扩张，凭借独有的Q-lens技术大大提高了图像传感器性能，增强了其在CIS市场中的竞争力。

CMOS图像传感器吸收从外部入射的光，以产生并储存光电荷，然后利用滤色器来仅通过特定颜色的光进行成像。然而随着摩尔定律的演进，感光芯片的尺寸规模不断缩小，当尺寸小于1.12微米级别时，像素点感光面积的缩小将显著降低成像效果，从而在图像清晰度和成像效果之间产生矛盾：即为了在单位面积上整合更多像素应该缩小尺寸，而为了获得更好的成像效果应该增加每个像素的感光面积，这一平衡点难以把握。另一方面，当从外部入射至图像传感器上的光具有大的入射角时，设备的表面的反射因数可能增加导致光效率降低，从而可能降低重现图像时的清晰度。

在这种情况下，海力士公司于2015年3月19日提出了一项名为“具有微透镜的图像传感器”的发明专利（申请号：201510102498.7），申请人为SK海力士有限公司。此项专利提供了一种能够提高聚光效率的图像传感器，在滤色片和感光元件之间加入一层特别的透镜，使光线更为聚集地落在感光元件上。

图1 CMOS 图像传感器结构图

图1展示了CMOS图像传感器的示意性结构框图，包括形成在半导体衬底 105之上的像素阵列111、地址译码器121、列缓冲器131、模数转换器(ADC)141 以及控制器 151。像素阵列通常为光电二极管并布置为矩阵形式，是传感器的成像核心部件。地址译码器121将接收到的地址信号进行译码，并在像素阵列中指定与地址信号相对应的光电器件。列缓冲器131受控制器控制，缓冲从对像素阵列以列的方式输入的信号，以及输出缓冲的信号。ADC 141对列缓冲器输出的信号进行采样，转换成数字信号传递给控制器。控制器151控制地址译码器、列缓冲器和ADC，并接收ADC输出的信号传送至外部设备以储存或显示图像。

图2 像素阵列横截面图

像素阵列横截面如图2所示，从上至下依次是滤色器311、微透镜321、抗反射膜331和光电器件341。滤色器通常被配置为被配置成在从外部入射的光中阻挡紫外光和红外光，并且仅通过可见光，以有效的光信号进行成像。微透镜321用于会聚穿过滤色器的特定颜色的光，可由氮化硅 (SiN)或者氧化硅(SiO2)形成，在微透镜321与相邻的微透镜)之间，形成氧化物层327，使得相邻的微透镜不彼此干扰。抗反射膜用于防止从微透镜321发射出的光从光电器件341的表面反射，减少从光电器件341的表面反射的光来增加光电器件341的聚光效率，并消除由反射的光引起的干扰或漫射。光电器件将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号输出至图1中的控制器或者外部设备。

中间的微透镜321作为此项专利的核心技术，通常为多阶梯结构。前两层为圆形形状，用作引导层的第三层325为矩形形状，其面积大小依次递增。第一层和第二层的厚度与第三层的厚度成反比，即当第一层和第二层具有大的厚度时，从外部入射的光的焦距减小，第三层厚度更低，反之亦然，这种透镜的结构可以显著地改善微透镜的光学特性(红光、绿光和蓝光的光传输效率和串扰)，以更好的在下层的光电器件上成像。

以上就是SK海力士公司提出的新型图像传感器技术，利用中间的微透镜使光线聚集，使之更有效的落在感光元件上，这种方式能够显著提高感光芯片像素的感光效率,使得像素获得更多光线，提高图像传感器的性能，尤其是在昏暗环境中的成像质量。