這么多年來，《星球大戰(zhàn)》系列電影一直震撼著無數觀影者的心靈：不論是絕地武士不顧險惡與邪惡勢力斗爭，亦或是抵抗組織面對壓迫時反抗的勇氣和犧牲，以及最后通過出色的戰(zhàn)略贏得勝利的過程……除此之外，電影中精彩絕倫的光劍決斗，還有R2-D2、C-3PO和BB-8等機器人的行動，都令人印象深刻。如果沒有這些機器人，《星球大戰(zhàn)》可能無法擁有一個如此驚人的結局。

機器人和元宇宙是2022年國際消費類電子產品展覽會（CES，International Consumer Electronics Show）¹⁾上最熱門的話題之一。時至今日，替我們工作的非人形機器已十分常見，如送貨機器人²⁾、自動駕駛汽車、掃地機器人和空中飛行的無人機等?？紤]到CES的影響，我們可能即將迎來一個新時代：每個家庭都至少擁有一個如同《星球大戰(zhàn)》等科幻電影場景中的機器人。

另一方面，在新冠疫情期間無接觸式服務持續(xù)加速發(fā)展，因此將虛擬與現實融合的元宇宙服務正不斷普及，人們對此類服務的需求也呈指數級增長。許多人開始使用增強現實（AR，Augmented Reality）或虛擬現實（VR，Virtual Reality）³⁾技術。不久后，AR和VR設備將會像智能手機一樣，被我們隨身攜帶。這將開啟一個新時代——各類服務將隨時隨地唾手可得，這意味著我們不再需要特地造訪銀行或者制造商，更能在不進入工廠的情況下實現產品的維護。

機器之眼（機器視覺）

在半導體處理和圖像信號處理（ISP，Image Signal Processing）技術的驚人進步、價格的下降和出色的高分辨率高性能的支持下，互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor）圖像傳感器（或CIS, CMOS Image Sensor）技術成為了智能手機等各種設備的“眼睛”。像素是決定相機性能的因素，而圍繞像素的競爭，現已將攝像頭技術推動至6億像素這一超越人眼的水平。

但是，高分辨率圖像是否必然適合用于機器視覺呢？對于負責安全保障的尖端機器的眼睛來說，即使是最清晰的二維（2D）圖像數據，也無法滿足它們代替人類工作時的需求。這樣的機器可能無法像R2-D2一樣，在戰(zhàn)術行動中執(zhí)行任務。但對于自動駕駛汽車和無人機來說，在高速行駛過程中，需要準確識別剎車時刻；對于面部識別設備來說，需要精確掃描人臉，而不是平面圖像；對于AR設備來說，需要實時進行大空間掃描，以實現增強現實。這些機器都不僅需要2D的圖像數據，還需要三維（3D）的技術支撐。一臺機器可以通過超聲波或激光設備等輔助工具，在沒有攝像頭的情況下通過復雜的計算過程獲得3D數據。但是，帶有如此眾多附加部件的機器，在設計以及價格上都會被消費者拒絕。

圖2：機器之眼的必要特征

在雙眼和大腦的配合下，人們可以立體地觀察物體并識別深度和距離。通過類似的機制，機器也可以通過三角測量法，識別多維物體并測量距離，例如立體視覺便是采用兩個攝像頭和一個處理器來達到識別效果。然而，這樣的機制也存在缺陷，如計算復雜、測量平面距離時缺乏準確性，以及在相對較暗的地方準確性低等，這些問題縮小了此類機制的應用范圍。最近，飛行時間法（ToF，Time-of-Flight ）作為克服這些缺點的一種替代方法，已經得到了實際應用。ToF是一種通過計算光從物體上反射回來的時間測量距離的簡單方法。這種方法運行起來簡易而快速，還有一個優(yōu)點：由于它使用獨立的光源，無論光照環(huán)境如何，都能準確地測量距離。

ToF：通過測量發(fā)射光的往返時間獲取距離

立體視覺：兩個光學系統(tǒng)從相對于同一基線的兩個不同點觀察同一目標

圖3：立體視覺和ToF識別物體方法的比較

飛行時間法

ToF可被分為直接ToF（d-ToF，direct ToF ）和間接ToF（i-ToF，indirect ToF）兩種類別，前者是根據光從物體上反射后返回的時間來測量距離，后者則是利用返回光的相位差來計算距離。SK海力士開發(fā)這兩種ToF技術，以便在各種產品中加以利用。說不定，未來的機器人會有一只眼睛使用i-ToF來識別近距離的物體，而另一只眼睛使用d-ToF來探索遠處。

而本文的目的，在于闡明SK海力士的i-ToF技術。

圖4：間接ToF和直接ToF的比較分析

i-ToF方法以一個像素內兩個以上不同存儲器中積累的電荷比例來計算與光源的相位差，并依此測量距離[1, 2]。與d-ToF相比，這種機制在測量距離方面有一定局限性，因為當光從遠處返回時，由于強度減弱，可分離的信號較少。然而，與d-ToF相比，它的優(yōu)點則是分辨率更高，由于其電路簡單，像素可以自己分離信號，容易縮小像素。為了彌補i-ToF的限制，并最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，大量研究現正已以提高信噪比（SNR， Signal to Noise Ratio）、增加紅外光源的量子效率（QE，Quantum Efficiency）或采用技術去除背景光（BGL，Background Light）為目的而展開。

目前的i-ToF像素結構大體上可以分為柵極結構和擴散結構。柵極結構方法通過向光柵施加調制電壓⁴⁾，產生電勢差⁵⁾，以收集周圍電子 [2]。而擴散結構作為電流輔助光子解調器（CAPD，Current Assisted Photonic Demodulator），利用對基底施加調制電壓產生的電流來收集電子[3]。與前者相比，后者可以快速檢測到在更深區(qū)域產生的電子，使傳輸效率更高，但由于它使用多數載劣電流，因此需要更大的功耗[4]。此外，隨著像素變小以及高分辨率導致的像素數量增加，其功耗亦進一步增大[5]。

為了最大限度地發(fā)揮CAPD的優(yōu)勢和減少其局限性，SK海力士開發(fā)了10um QVGA⁶⁾級和5um VGA級[6]像素技術，采用了一種名為VFM（Vertical Field Modulator）的新結構。接下來，讓我們深入了解一下VFM技術及其優(yōu)勢。

VFM像素技術的優(yōu)勢

判別一個優(yōu)秀的距離測量傳感器有各種各樣標準，但首要的是，它應能準確地檢測距離，并通過較低的功耗來減少發(fā)熱問題。換句話說，一個好的傳感器必須以較高的效率和較低的功耗快速檢測信號，同時它還必須根據相位差準確地分離信號。

1. SK海力士的CIS背照式（BSI，Back Side Illumination）技術和組合

與CIS一樣，背照式⁷⁾處理給ToF的設計或性能帶來了很多優(yōu)勢。用于計算飛行時間的光源為紅外線（IR，Infrared Ray），因為它必須是人眼不可見的。而且，即使在低光環(huán)境下，它也能計算出準確的距離。與可見光相比，紅外線的波長較長，這意味著如果不使用比CIS更厚的晶圓，大部分光線就會被穿透，導致像素中產生的信號水平極低。但這并不意味著厚度可以無限增長。要快速收集在較深區(qū)域產生的電子是很困難的，就像深海捕魚比在捕魚點捕魚更困難一樣。當應用背照式而不是前照式（FSI，Front Side Illumination）⁸⁾時，信號能夠快速地被檢測到，因為背照式讓光收集距離更近，其中起到釣魚線作用的電場，亦通過從相反的一面投射光而變得更強（圖5）。

圖5. 前照式和背照式的比較（滲透率和每個厚度的光收集）

i-ToF的性能取決于它根據電荷積聚率分離信號的能力。在這方面，前照式的傳感器可能會造成距離上的誤差，因為光線經過像素表面時，忽略相位差直接進入檢測節(jié)點的可能性較大。這就好比在課堂點名時教室中還有其他班級的學生一樣。在前照式中，為確保更高的填充因子⁹⁾，金屬布線也有很多限制，而背照式則使金屬布線有了更廣泛的選擇，就如從地下汲水要比在茂密的森林中砍樹收集雨水更有效（圖6）。

圖6：不同照明方法的i-ToF電荷積累率（以地下汲水和砍伐茂密森林中的樹木類比）

背照式這一優(yōu)勢可以通過與SK海力士的CIS背照式技術結合來實現，SK海力士擁有創(chuàng)造小于1微米（千分之一毫米）的像素的技術。

2. 小透鏡陣列（SLA，Small Lens Array）& 溝槽結構光波導和量子效率(QE)

根據使用電荷積累率的i-ToF機制，我們需要最大水平的信號來獲得更遠距離的準確距離數據。因此，紅外波長范圍¹⁰⁾ 的高QE¹¹⁾是必不可少的。
如上所述，由于紅外光源的高穿透力，其光強度比可見光弱，所以光收集的深度很深。一種應對方法是有意在高處形成微透鏡結構（根據相機鏡頭下像素的大小和數量排列的小尺寸透鏡），以實現更好的光收集，但由于技術限制，高度是有限的。SK海力士則采取了一種不同的方法來克服這一缺陷。通過在每個像素上放置幾個小于像素大小的鏡頭，該方法增加了光收集深度，從而增加了接收到的光線總量。

此外，SK海力士還通過在背面挖出特殊的圖案結構，使入射光線觸達結構并被其反射，延長了光線傳輸路徑，并將光線聚焦到調制區(qū)域，從而降低光損失率，并提高了同一光強度下的傳輸效率，達到一石二鳥的效果。實上，這證實了在940nm光源下，QE增加了一倍多。在更高的QE下，與以前的方法相比，它成功地將實際距離和測量距離之間的誤差降低了將近55%。

圖7：SLA（左）和溝槽結構光波導（右）

3. 確保低功耗、高性能

除去光源的功耗，ToF傳感器運作時在調制信號的電路中功耗最大。調制驅動電路的功率與流過電路板的電流成正比。換句話說，我們可以通過減少基底電流來降低功耗。另外，準確和精確的距離測量需要更短的調制周期和快速的信號檢測。車輛（光子）必須通過踩油門來加速，以便快速穿過相同的距離（硅厚度），這就會消耗許多的燃料（或電流）。換一個例子說，從深井中汲水需要很大的力量來抬起滑輪。但是，如果你能用泵把地下水抽上來呢？你可以不費吹灰之力，只需打開水龍頭，就能抽出所需的水。

VFM方法通過優(yōu)化像素離子植入的條件和結構來增加耗盡區(qū)，使其能夠發(fā)揮類似泵的作用，并加強垂直電場。因此，電場的力量被加到電流上，能有效地收集電子，同時還能在電流較小的情況下實現快速收集，增強功耗實力。大量的實驗證明，當電流增加時，VFM像素的性能就會損耗，這意味著它是一種更適于低功率的結構，而電流也不再是一個重要的因素。換句話說，該方法通過能夠實現強大垂直電場的設計來控制電流，使其僅僅起到引導作用，進而提高了像素的性能。5um的VGA級ToF傳感器與QVGA級ToF傳感器相比，即使像素尺寸更小、分辨率更高，每個像素的電流卻減少了，其功耗的增加也近乎為零。

圖8：作為ToF傳感器，VFM結構具有更高效的功耗

總結

SK海力士在開發(fā)ToF技術的同時，通過提供密切的技術支持和傳感器，使各種模塊制造商進入廣泛的應用市場，為創(chuàng)造經濟價值和社會價值作出貢獻。

未來，我們將能使用AR/VR設備環(huán)游世界，借助無人機運送包裹，讓家庭機器人將包裹帶到我們身邊，請掃地機器人為我們清潔打掃，甚至能坐在通過面部識別發(fā)動的自動駕駛汽車中觀看新聞。我們期待這些場景都可以在SK海力士的深度解決方案技術即將開辟的新世界中得以實現。

腳注

¹⁾國際消費類電子產品展覽會（CES，International Consumer Electronics Show）：舉辦于美國拉斯維加斯，是世界上最大的技術展會；其展出品類不僅是家用電器，更有包括機器人和移動工具在內的所有行業(yè)的電子新技術
²⁾送貨機器人（Delivery robots）：目前作為應用公司試點項目的一部分，或在一些便利店運營
³⁾AR：增強現實（Augmented Reality）；VR：虛擬現實（Virtual Reality）。
⁴⁾調制電壓：切換像素節(jié)點以分離信號的電壓
⁵⁾電勢差：在電場中不同電位置的能量差，電荷從低能量點移動到高能量點
⁶⁾QVGA：指單個像素分辨率（320×240），而VGA是640×480
⁷⁾背照式：一種處理方法，使CIS從上到下按微透鏡-彩色濾光鏡-光電二極管-金屬的順序排列，其采集效率比使用前照式+導光板要高得多
⁸⁾前照式：一種處理方法，使CIS從上到下按微透鏡-彩色濾光鏡-金屬-光電二極管的順序排列
⁹⁾填充因子：傳感器中每個像素的整個區(qū)域中，激活區(qū)域（光電二極管）的比例
¹⁰⁾QE：量子效率，對入射光子和轉換電子的衡量
¹¹⁾紅外波長范圍：波長在750nm~1mm之間，ToF一般需要850nm/940nm的波長范圍

參考文獻

^[1]R. Lange, P. Seitz, A. Biber, and R. Schwarte, “Time-of-flight range imaging with a custom solid-state image sensor,” in Proc. SPIE, Laser Metrology and Inspection, Munich, Germany, 1999, vol. 3823.
^[2]David Stoppa et al., “A Range Image Sensor Based on 10-um Lock-In Pixels in 0.18um CMOS Imaging Technology,” IEEE J. solid-state circuit, vol. 46, no. 1, pp. 248-258, Jan. 2011.
^[3]Cyrus S. Bamji et al., “A 0.13um CMOS System-on-chip for a 512×424 Time-of-Flight Image Sensor With Multi-Frequency Photo-Demodulation up to 130MHz and 2GS/s ADC,” IEEE J. solid-state circuit, vol. 50, no. 1, pp. 303-319, Jan. 2015.
^[4]Yuich Kato et al., “320×240 Back-Illuminated 10-um CAPD Pixels for High-Speed Modulation Time-of-Flight CMOS Image Sensor,” IEEE J. Solid-State Circuits, VOL. 53, NO. 4, pp1071-1078, Apr. 2018.
^[5]L. Pancheri et al., “Current Assisted Photonic Mixing Devices Fabricated on High Resistivity Silicon,” SENSORS, IEEE, pp981-983, Oct. 2008.
^[6]Y. Ebiko et al., “Low power consumption and high resolution 1280×960 Gate Assisted Photonic Demodulator pixel for indirect Time of flight,” 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2020, pp. 33.1.1-33.1.4.
^[7]JH. Jang et al., “An Ultra-low current operating 5-μm Vertical Field Modulator Pixel for in-direct Time of Flight 3D Sensor.,” 2020 International Image Sensor Workshop (IISW), Sep. 2020.

作者:張在亨 TL(Technical Leader) of CIS AR/VR Technology Project Team at SK hynix Inc.