无视背照射CMOS 富士有机CMOS突破性进展

早在06年的时候，富士胶片就宣布开展有机CMOS传感器的研究开发，时隔三年，其它厂商如索尼已经推出了性能更优的背照射式CMOS传感器，这种全新的CMOS比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍，在弱光环境下的表现更出色。而在三年之后的今天，富士一直默默研发的这种有机CMOS的进展又如何？

前日在techon.nikkeibp上获得了最新的消息，富士胶片近日宣布了成功把硅光电二极管替代为有机光电转换膜的CMOS传感器，并率先使用这种全新的CMOS传感器在全世界内成功拍摄出了彩色图像（图1）。这是继2006年成功取得黑白图像后的又一项重大研发成果。成功开发的这种全新的有机CMOSS传感器即使在明亮或黑暗环境下，都可以获得出色画质。

有机实现的彩色图像富士胶片在全球首先使用有机光电转换膜拍摄出了彩色图像（a）。有机膜虽然不依像素分割，结构简单，但实现了与像素数相应的分辨率（240TV线）（b）。（c）是以50帧/秒的速度拍摄，以25帧/秒的速度播放时的一帧。观测不到残像。在拍摄特性中，值得关注的是电子可积累量（饱和电子数）高（d）。

富士此次的研究成果表明，虽然有机CMOS完全不同于其它厂商争相开发的背面照射（BSI：backside illumination）技术，但富士借助于“材料研究”同样能够提高灵敏度，实现低成本化。假如能够大规模量产，那么登上主流地位也绝非幻想（注2）。

有机CMOS传感器不存在传统CMOS传感器的3大问题：

①滤色器过滤掉入射的近2/3可见光

②芯片表面与光电二极管距离远。这就像照射井底一样，斜向入射的光线可能无法入射到指定像素，或是偏转至相邻像素造成“混色”

③光电二极管的光电转换效率相当低

由于背面照射技术只能部分解决②中提到的问题。光线照射到没有布线层的硅的背面起到了相当大的作用，灵敏度大约能够提高到2倍。但混色问题依然存在，因此必须附加微透镜和遮光膜。而且需要利用机械及化学方法打薄晶圆以及防止污染对策。

光路短而且简单现行普通CMOS传感器、富士胶片2006年构想的有机CMOS传感器，以及此次用于彩色摄影的有机CMOS传感器的截面结构（a～c）。（b）能够最大程度地转换为电子，但结构非常复杂。（c）的转换率高于（a），且结构最为简单。

背面照射并非最终答案背面照射CMOS传感器抑制混色需要付出相当大的成本（a，b）。而有机CMOS传感器的光电转换膜具有吸收系数高、薄的特点，没有太大的成本负担（c）。吸收系数是指透射率（I/I0=exp（-αd）的α。I为透射光量，I0为入射光量，D为对象物质的厚度。α越大，d越小。

由于有机CMOS传感器在原理上能够解决①②③中显示的问题。但此次的彩色样品没有考虑①，只解决了②和③。具体来说，在配备滤色器的情况下，有机光电转换膜减少到了一片（c）。由于结构及制造工艺简单，因此制造成本甚至低于背面照射产品。

此次的彩色产品基本不产生混色，这是因为负责光电转换的有机材料的光吸收率远远高于硅（（c）。光电二极管在厚度达到3μm左右时才勉强能够将红色光转换为电子。大量无法转换的光线只能白白透过。

另一方面，富士胶片的有机光电转换膜厚度为0.5μm。光线会在其中完成吸收和光电转换，几乎不会偏转至相邻像素。外部量子效率（光电转换膜的入射光子转变成电子的比例）达到了有机材料独有的高水平。光线波长为550nm时，外部量子效率为65％。添加防反射膜后效率有望超过80％。而硅光电二极管的效率仅为约60％。此外，该公司的光电转换膜还具有无需红外滤光片，有助于降低成本的特点）。

富士胶片并没有放弃解决①中的问题。该公司打算仿照胶卷，对有机光电转换膜进行层叠，采用各膜分别吸收特定颜色光线的构造（b）。但是在目前，电极的形成和膜与电极之间的连接仍存在技术难题。富士胶片表示“需要对纳米压印装置进行改进”。

此次的有机CMOS传感器的光谱灵敏度特性蓝色输出偏弱，但其他两个颜色的峰值出色。由于对780nm以上的波长没有反应，因此，此次的有机CMOS传感器无需红外滤光片。富士胶片没有透露纵轴的数值。

3枚层叠型也在开发之中层叠3片有机光电转换膜的CMOS传感器材料能够极大地开扩光谱灵敏度的“范围”（a）。但除了蓝色外，S/N并不出色（b）。（a）中照射各色像素的是能量相等的单色光。（b）使用的是日光灯，白色部分为4000cd/m2，光圈为F11。

或者从另一个角度来看，在有机电子技术中，有价格优势的有机CMOS传感器有可能成为开辟巨大市场的“先锋”。在有机CMOS传感器中，读取电路等“基础”由硅制造，与电子移动度问题无关。而且只有拍摄时通电，因此CMOS老化也基本不成为问题。“虽然耐久性和可靠性评估尚未结束，但源于有机膜的问题还没有发现”（富士胶片）。