アクティブピクセルセンサー

金属酸化物半導体（MOS）技術の研究中に、ウィラード・ボイルとジョージ・E・スミスは、小さなMOSコンデンサに電荷を蓄積できることを発見し、これが1969年に彼らが発明した電荷結合素子（CCD）の基本的な構成要素となった。^{[ 6 ] [ 7 ]}

CCD技術の主な課題の1つは、読み出し時にほぼ完全な電荷転送に依存していたことです。この制限により、比較的低い放射線耐性、低照度条件下での性能低下、大規模アレイの製造の困難さ、オンチップエレクトロニクスとの統合の制限、低温での効率低下、高フレームレートでの制約、波長応答を拡張するための非シリコン材料を使用した製造の課題など、いくつかの欠点が生じました。^{[ 1 ]}

RCA Laboratoriesでは、 1969 年にPaul K. Weimer 、WS Pike、G. Sadasivを含む研究チームが、光検出器に光伝導性フィルムを使用した薄膜トランジスタ(TFT) を使用した走査回路を備えた固体イメージセンサーを提案しました。^{[ 8 ] [ 9 ]}光学マウス用途向けの低解像度「ほぼデジタル」Nチャネル MOSFET (NMOS) イメージャーは、 1981 年にRichard F. Lyonによって実証されました。^{[ 10 ]} APS に関連する別のタイプのイメージセンサー技術は、赤外線スペクトルで極低温で動作するように設計されたハイブリッド赤外線焦点面アレイ (IRFPA) です。 ^{[ 1 ]}このデバイスは、サンドイッチのように重ねられた 2 つのチップで構成されています。1 つのチップにはInGaAsまたはHgCdTeで作られた検出素子が含まれており、もう 1 つのチップは通常シリコンで作られており、光検出器の読み出しに使用されます。これらの装置の正確な開発時期は機密扱いとなっているが、1980年代半ばには既に使用されていた。

現代の CMOS センサーの重要な要素は、ピン留めフォトダイオード(PPD) です。^{[ 2 ]}これは1980 年にNECの寺西信和、白木弘光、石原康夫によって発明され、 ^{[ 2 ] [ 11 ]}その後 1982 年に寺西と石原が A. Kohono、E. Oda、K. Arai とともに、アンチブルーミング構造を追加して公表しました。^{[ 2 ] [ 12 ]}ピン留めフォトダイオードは、低遅延、低ノイズ、高量子効率、低暗電流のフォトディテクタ構造です。NEC で発明された新しいフォトディテクタ構造は、1984 年にコダックの BC Burkey によって「ピン留めフォトダイオード」(PPD) と名付けられました。1987年に、PPD はほとんどの CCD センサーに組み込まれ始め、民生用電子ビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラの定番となりました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、そしてCMOSセンサーで使用されてきた。^{[ 2 ]}

APS の前身は、フォトダイオードアレイ(PDA) の一種であるパッシブピクセルセンサー (PPS) でした。^{[ 2 ]}パッシブピクセルセンサーは、増幅なしで読み出されるパッシブピクセルで構成され、各ピクセルはフォトダイオードとMOSFETスイッチで構成されています。^{[ 13 ]}フォトダイオードアレイでは、ピクセルはpn 接合、集積コンデンサ、および選択トランジスタとしての MOSFET を含んでいます。フォトダイオードアレイは、CCD より前に 1968 年に G. Weckler によって提案されました。^{[ 1 ]}これが PPS の基礎となり、^{[ 2 ]}ピクセル内選択トランジスタを備えたイメージセンサー素子を備え、1968 年に Peter JW Noble によって提案され、^{[ 14 ] [ 2 ] [ 8 ]} 1969 年に Savvas G. Chamberlain によって提案されました。 ^{[ 15 ]}

パッシブピクセルセンサーは、真空管イメージングデバイスの固体代替品として研究されていました。MOSパッシブピクセルセンサーは、ピクセル内の単純なスイッチのみを使用してフォトダイオードの積分電荷を読み出していました。^{[ 16 ]}ピクセルは2次元構造で配列され、アクセスイネーブルワイヤは同じ行のピクセルで共有され、出力ワイヤは列で共有されます。各列の端にはトランジスタがありました。パッシブピクセルセンサーは、高ノイズ、低速読み出し、スケーラビリティの欠如など、多くの制限に悩まされていました。初期（1960年代～1970年代）のフォトダイオードアレイは、各ピクセル内に選択トランジスタを備え、オンチップマルチプレクサ回路とともに、実用的ではないほど大きくなっていました。フォトダイオードアレイのノイズも性能の制限であり、フォトダイオード読み出しバスの容量により読み出しノイズレベルが増加しました。相関ダブルサンプリング（CDS）も、外部メモリのないフォトダイオードアレイでは使用できませんでした。 1970年代には、当時のマイクロリソグラフィ技術が限られていたため、実用的なピクセルサイズのアクティブピクセルセンサーを製造することは不可能でした。 ^{[ 1 ]} MOSプロセスは非常に変動が大きく、MOSトランジスタは時間とともに特性が変化する（Vth不安定性）ため、CCDの電荷ドメイン動作はMOSパッシブピクセルセンサーよりも製造しやすく、性能も高くなりました。

アクティブピクセルセンサーはアクティブピクセルで構成され、各ピクセルには、光生成電荷を電圧に変換し、信号電圧を増幅し、ノイズを低減する1 つ以上のMOSFETアンプが含まれています。 ^{[ 13 ]}アクティブピクセルデバイスの概念は、1968 年に Peter Noble によって提案されました。彼は、基本的に現代の 3 トランジスタ構成 (埋め込みフォトダイオード構造、選択トランジスタ、および MOS アンプ) で、ピクセルごとにアクティブ MOS 読み出しアンプを備えたセンサーアレイを作成しました。^{[ 17 ] [ 14 ]}

MOSアクティブピクセルコンセプトは、 1980年代半ばに日本のオリンパスによって電荷変調デバイス（CMD）として実装されました。これは、MOSFET半導体デバイス製造の進歩によって可能になり、1980年代から1990年代初頭にかけてMOSFETのスケーリングはより小さなミクロンレベル、そしてサブミクロンレベルに達しました。 ^{[ 1 ] [ 18 ]}最初のMOS APSは、1985年にオリンパスのTsutomu Nakamura氏のチームによって製造されました。アクティブピクセルセンサー（APS）という用語は、オリンパスでCMDアクティブピクセルセンサーに取り組んでいたときに中村氏によって造られました。^{[ 19 ]} CMDイメージャは垂直APS構造を持ち、出力NMOSトランジスタの下に信号電荷を蓄積することでフィルファクター（またはピクセルサイズ）を増加させます。他の日本の半導体企業もすぐに1980年代後半から1990年代初頭にかけて独自のアクティブピクセルセンサーでこれに続きました。 1988年から1991年にかけて、東芝は横方向のAPS構造を持ち、各ピクセルに埋め込みチャネルMOSフォトゲートとPMOS出力アンプを含む「ダブルゲートフローティングサーフェストランジスタ」センサーを開発した。1989年から1992年にかけて、キヤノンはオリンパスのセンサーと同様の垂直APS構造を採用したが、 MOSFETではなくバイポーラトランジスタを使用したベースストアイメージセンサー（BASIS）を開発した。 ^{[ 1 ]}

1990年代初頭、アメリカの企業は実用的なMOSアクティブピクセルセンサーの開発に着手した。1991年、テキサス・インスツルメンツはバルクCMD（BCMD）センサーを開発した。これは同社の日本支社で製造され、オリンパスのCMDセンサーと同様の垂直APS構造を有していたが、より複雑で、NMOSトランジスタではなくPMOSトランジスタを使用していた。^{[ 2 ]}

1980年代後半から1990年代初頭にかけて、CMOSプロセスは十分に制御された安定した半導体製造プロセスとして確立され、ほぼすべてのロジックおよびマイクロプロセッサのベースラインプロセスとなりました。低エンドのイメージングアプリケーションではパッシブピクセルセンサーの使用が復活し^{[ 20 ]} 、一方アクティブピクセルセンサーは網膜シミュレーション^{[ 21 ]}や高エネルギー粒子検出器などの低解像度高機能アプリケーションで使用され始めました。しかし、CCDは時間ノイズと固定パターンノイズがはるかに低く、ビデオカメラなどの民生用アプリケーションや放送用カメラで主流の技術であり続け、ビデオカメラ管に取って代わりつつありました。

CMOSアクティブピクセルセンサーは、金属酸化物半導体（MOS）イメージセンサーの一種で、1992年に三菱電機^{[ 22 ]}、1993年にNASAのジェット推進研究所^{[ 23 ]}によって開発されました。これは、東芝が日本のPMOS技術を用いて開発したアクティブピクセルセンサーに続くものです。東芝のセンサーと同様の横方向APS構造を持ちますが、PMOSトランジスタではなくCMOSトランジスタで製造されています^{[ 1 ]} 。これは、画素内電荷転送を備えた最初のCMOSセンサーでした^{[ 2 ] 。}

1999年、現代電子は、高性能ピンニングフォトダイオードと統合型ADCを搭載し、ベースラインの0.5μm  DRAMプロセスで製造された、4Tピクセルをベースとした800×600カラーCMOSイメージセンサーの商用生産を発表した。

PhotobitのCMOSセンサーは、Photobitが2001年にMicron Technologyに買収される前に、LogitechやIntelが製造するウェブカメラに採用されました。初期のCMOSセンサー市場は、当初MicronやOmnivisionなどのアメリカのメーカーが主導し、米国は一時的に日本からイメージセンサー市場の一部を取り戻しましたが、最終的にはCMOSセンサー市場は日本、韓国、中国が支配することになりました。^{[ 24 ]} PPD技術を用いたCMOSセンサーは、1997年にRM Guidash、2000年にK. YonemotoとH. Sumi、2003年にI. Inoueによってさらに進歩し、改良されました。これにより、CMOSセンサーはCCDセンサーと同等のイメージング性能を達成し、後にCCDセンサーを凌駕するようになりました。^{[ 2 ]}

2000年までに、CMOSセンサーは低価格カメラ、 PCカメラ、ファックス、マルチメディア、セキュリティ、監視、ビデオ電話など、さまざまな用途で使用されるようになった。^{[ 25 ]}

高解像度ビデオ（HDビデオ）の登場に伴い、ビデオ業界はCMOSカメラに移行しました。これは、画素数が多いため、CCDセンサーでは消費電力が大幅に増加し、過熱してバッテリーを消耗してしまうためです。 ^{[ 24 ]}ソニーは2007年に独自の列A/D変換回路を備えたCMOSセンサーを商用化し、高速かつ低ノイズの性能を実現しました。続いて2009年には、従来のイメージセンサーの2倍の感度を持つCMOS裏面照射型センサー（BIセンサー）を発表しました。 ^{[ 26 ]}

CMOSセンサーはその後、大きな文化的影響を与え、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話の大量普及につながり、ソーシャルメディアや自撮り文化の台頭を後押しし、世界中の社会運動や政治運動に影響を与えました。^{[ 24 ]} 2007年までに、CMOSアクティブピクセルセンサーの販売はCCDセンサーを上回り、当時、CMOSセンサーは世界のイメージセンサー市場の54%を占めていました。2012年までに、CMOSセンサーは市場の74%にシェアを拡大​​しました。2017年現在、CMOSセンサーは世界のイメージセンサー販売の89%を占めています。^{[ 27 ]}近年、CMOSセンサー技術は中判写真にも広がり、Phase Oneはソニー製のCMOSセンサーを搭載した中判デジタルバックを最初に発売しました。

2012年、ソニーは積層型CMOS BIセンサーを発表しました。^{[ 26 ]}イメージセンサーの分野では、いくつかの研究活動が進行中です。その1つが量子イメージセンサー（QIS）で、これはカメラで画像を取得する方法のパラダイムシフトとなる可能性があります。QISでは、イメージセンサーに当たるすべての光子をカウントし、センサーあたり100万個から10億個以上の特殊なフォトエレメント（ジョットと呼ばれる）の解像度を提供し、毎秒数百回または数千回のジョットビットプレーンを読み出し、テラビット/秒のデータを実現することが目標です。QISのアイデアはまだ初期段階にあり、画像をキャプチャするために必要な不必要な複雑さのために、実現しない可能性があります。^{[ 28 ]}

OmniVisionの Boyd Fowler 氏は、CMOS イメージセンサーの開発で知られています。彼の貢献には、1994 年に初のデジタル ピクセル CMOS イメージセンサー、2003 年にシングル電子 RMS 読み出しノイズを備えた初の科学用リニア CMOS イメージセンサー、2010 年に高ダイナミックレンジ(86  dB)、高速読み出し (100 フレーム/秒)、超低読み出しノイズ (1.2e- RMS) (sCMOS) を同時に実現した初のマルチメガピクセル科学用エリア CMOS イメージセンサーなどがあります。また、患者の快適性を向上させるために角を切り落とした口腔内歯科 X 線用の初の CMOS イメージセンサーの特許も取得しています。^{[ 29 ] [ 30 ]}

2010年代後半までに、CMOSセンサーはCCDセンサーをほぼ完全に、あるいは完全に置き換えた。CMOSセンサーは既存の半導体製造ラインで製造できるためコスト削減につながるだけでなく、消費電力も少ないなど、多くの利点がある。（下記参照）

HV-CMOS デバイスは、 CERN大型ハドロン衝突型加速器のような高電圧アプリケーション (高エネルギー粒子の検出用) で使用される通常の CMOS センサーの特殊なケースであり、最大約 30～120 V の高耐圧が必要となります。ただし、このようなデバイスは高電圧スイッチングには使用されません。HV-CMOS は通常、 p 型ウェハ基板上のトランジスタの深さ約 10 μm の n 型ドープ空乏層 (n ウェル)によって実現されます。^{[ 31 ]} 

CMOSセンサーの主な利点は、画像キャプチャと画像センシングの要素を同じICに統合できるため、よりシンプルな構造で製造でき、一般的にCCDセンサーよりも製造コストが低いことです。^{[ 32 ]}

CMOSセンサーは一般的に、ブルーミング（つまり、露光過多のピクセルから近くの他のピクセルへ光電荷が漏れ出す現象）をより適切に制御できる。

ビームスプリッタープリズムと併用して画像の赤、緑、青の各成分を分離するために別々のセンサーを使用する3センサーカメラシステムでは、3つのCMOSセンサーは同一であることができますが、ほとんどのスプリッタープリズムでは、互換性のある順序で画像を読み出すために、CCDセンサーの1つが他の2つの鏡像である必要があります。CCDセンサーとは異なり、CMOSセンサーはセンサー素子のアドレスを反転する機能があります。ISO 400万のフィルム感度を持つCMOSセンサーが存在します。 ^{[ 33 ]}

CMOSセンサーは通常、約1/60秒または1/50秒（リフレッシュレートによる）で一度に1行ずつキャプチャするため、ローリングシャッター効果が発生し、カメラや被写体の動きの方向に応じて画像が歪む（左右どちらかに傾く）ことがあります。例えば、高速で移動する車を追跡する場合、車自体は歪みませんが、背景が傾いて見えます。フレーム転送CCDセンサー、または「グローバルシャッター」CMOSセンサーにはこの問題はありません。代わりに、画像全体を一度にフレームストアにキャプチャします。

CCDセンサーの長年の利点は、ノイズの少ない画像をキャプチャできることでした。^{[ 34 ]} CMOS技術の進歩により、この利点は2020年現在では解消され、最新のCMOSセンサーはCCDセンサーを凌駕する性能を発揮します。^{[ 35 ]}

CMOSピクセル内のアクティブ回路は、表面の一部に感光しない領域を必要とするため、デバイスの光子検出効率が低下します（マイクロレンズや裏面照射型センサーはこの問題を軽減できます）。しかし、フレーム転送型CCDもフレームストアノード用に非感光領域が約半分しかないため、相対的な利点は比較対象となるセンサーの種類によって異なります。

標準のCMOS APS ピクセルは、フォトディテクタ(ピン留めフォトダイオード)、^{[ 2 ]}フローティング拡散層、および転送ゲート、リセットゲート、選択ゲート、ソースフォロワ読み出しトランジスタを含む4つのCMOS (相補型金属酸化膜半導体)トランジスタからなるいわゆる 4T セルで構成されています。 ^{[ 36 ]}ピン留めフォトダイオードは、暗電流が低く青色応答が良好なため、元々はインターライン転送 CCD で使用されていました。転送ゲートと組み合わせると、ピン留めフォトダイオードからフローティング拡散層 (さらに読み出しトランジスタのゲートに接続) への完全な電荷転送が可能になり、遅延がなくなります。ピクセル内電荷転送を使用すると、相関ダブルサンプリング(CDS) の使用が可能になるため、ノイズを低減できます。Noble 3T ピクセルは、製造要件が複雑ではないため、今でも時々使用されています。3T ピクセルは、転送ゲートとフォトダイオードを除いて、4T ピクセルと同じ要素で構成されています。リセットトランジスタ M _{rst は、フローティング拡散を V RST}にリセットするスイッチとして機能します。この場合、V RST は M _sfトランジスタのゲートとして表されます。リセットトランジスタがオンになると、フォトダイオードは電源 V _RSTに事実上接続され、蓄積された電荷がすべて消去されます。リセットトランジスタはn 型であるため、ピクセルはソフトリセットで動作します。読み出しトランジスタ M _sfは、バッファ (具体的にはソースフォロワ)、つまり蓄積された電荷を取り除かずにピクセル電圧を観測できる増幅器として機能します。その電源 V _{DDは、通常、リセットトランジスタ V RST}の電源に接続されています。選択トランジスタ M _{sel は、読み出し回路によってピクセルアレイの 1 行を読み出すことを可能にします。5T ピクセルや 6T ピクセルなどの他の革新的なピクセルも存在します。トランジスタを追加することで、より一般的な}ローリングシャッターとは対照的に、グローバルシャッターなどの機能が可能になります。画素密度を高めるために、共有行、4ウェイおよび8ウェイ共有読み出しなどのアーキテクチャを採用することができる。3Tアクティブピクセルの派生型として、ディック・メリルが発明したFoveon X3センサーがある。このデバイスでは、平面製造技術を用いて3つのフォトダイオードが積み重ねられている。各フォトダイオードはそれぞれ独自の3T回路を備えている。各層は下の層のフィルターとして機能し、吸収される光のスペクトルを連続的に変化させる。各層検出器の応答をデコンボリューションすることで、赤、緑、青の信号を再構成することができる。

一般的な2次元ピクセル配列は、行と列で構成されています。特定の行内のピクセルはリセット線を共有するため、一度に1行全体がリセットされます。また、各行内のピクセルの行選択線も相互に接続されています。同様に、任意の列内の各ピクセルの出力も相互に接続されています。一度に選択される行は1つだけなので、出力線の競合は発生しません。さらに、増幅回路は通常、列単位で構成されます。

ピクセルセンサーのサイズは、高さと幅で表されることが多いですが、光学フォーマットで表されることもあります。

アクティブピクセルセンサー（APS）の構造には、横方向APSと縦方向APSの2種類があります。^{[ 1 ]}エリック・フォッサムは横方向APSを次のように定義しています。

横型APS構造とは、画素領域の一部が光検出と信号保存に使用され、残りの部分がアクティブトランジスタに使用される構造と定義される。垂直統合型APSと比較した場合、このアプローチの利点は、製造プロセスが簡素化され、最先端のCMOSおよびCCDデバイスプロセスとの互換性が非常に高いことである。^{[ 1 ]}

Fossumは垂直APSを次のように定義しています。

垂直APS構造は、出力トランジスタの下に信号電荷を蓄積することで、フィルファクターを増加させる（またはピクセルサイズを小さくする）。^{[ 1 ]}

大面積デジタルX線イメージングなどのアプリケーションでは、薄膜トランジスタ（TFT）もAPSアーキテクチャで使用できます。ただし、CMOSトランジスタと比較してTFTはサイズが大きく、相互コンダクタンスゲインが低いため、許容レベルの画像解像度と品質を維持するには、オンピクセルTFTの数を減らす必要があります。2トランジスタAPS/PPSアーキテクチャは、アモルファスシリコンTFTを使用したAPSに有望であることが示されています。右側の2トランジスタAPSアーキテクチャでは、T _{AMPは、3トランジスタAPSのM sf}とM _selの両方の機能を統合するスイッチドアンプとして使用されます。これにより、ピクセルあたりのトランジスタ数が減り、ピクセルの相互コンダクタンスゲインが増加します。^{[ 37 ]}ここで、C _{pixはピクセルの記憶容量であり、「Read」のアドレス指定パルスをT AMP}のゲートに容量結合してON/OFFスイッチングを行うためにも使用されます。このようなピクセル読み出し回路は、アモルファスセレンなどの低容量光導体検出器で最もよく機能します。

フラッシュリセット、擬似フラッシュリセット、ハードからソフトへのリセットなどの技術は、ソフトリセットとハードリセットを組み合わせたものです。これらの方法の詳細は異なりますが、基本的な考え方は同じです。まず、ハードリセットを実行して、画像の遅延をなくします。次に、ソフトリセットを実行して、遅延を追加せずに低ノイズのリセットを実行します。^{[ 38 ]}擬似フラッシュリセットでは、V _RSTと V _DDを分離する必要がありますが、他の 2 つの技術では、より複雑な列回路を追加します。具体的には、擬似フラッシュリセットとハードからソフトへのリセットの両方で、ピクセル電源と実際の V _DDの間にトランジスタを追加します。その結果、フィルファクターに影響を与えることなく、ヘッドルームが低下します。

より革新的な画素設計としては、アクティブリセット画素が挙げられる。アクティブリセットを用いることで、ノイズレベルを大幅に低減できる。ただし、リセット方式が複雑になるほか、画素サイズが大きくなるか、列レベルの回路が追加で必要となるというトレードオフがある。