[發明專利]一種紅外焦平面陣列與數字存儲控制芯片的三維集成方案

在審

• 申請號: 201210238431.2
• 申請日: 2012-07-11
• 公開（公告）號: CN103545302A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 魯文高;陳蒙;王冠男;朱韞暉;孫新;孟祥云;陳曉璐;張雅聰;繆旻;陳中建
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L25/16
• 分類號: H01L25/16;H01L23/31
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光電子技術及微電子技術領域，特別涉及一種紅外成像技術中獲取紅外圖像信號的紅外焦平面陣列，具體涉及一種將紅外焦平面陣列與實現紅外焦平面非均勻性校準數據存儲以及數字算法的數字芯片進行三維集成的三維集成方案，以及該紅外焦平面陣列與所述三維集成方案的協同設計。

背景技術

隨著紅外焦平面陣列(IRFPA)的不斷發展，紅外成像系統的性能得到了顯著的提高，但是IRFPA的非均勻性成為影響紅外成像系統成像質量的制約因素。成像非均勻性定義為焦平面陣列(FPA)在同一均勻輻射輸入時單元之間輸出的不一致性，又稱為固有空間噪聲(Fixed?Pattern?Noise)。造成圖像非均勻的因素是多方面的，起主要作用的是：探測器的非均勻性，主要體現為響應率的非均勻性，包括光譜響應的非均勻性；讀出電路與探測器耦合的非均勻性；讀出電路及光學系統自身的非均勻性。紅外系統中的非均勻性問題會顯著影響紅外系統的成像質量，因此需要對系統進行非均勻性校準。器件本身的非均勻性是紅外圖像非均勻性的主要組成部分，由器件的材料及其制造工藝水平所決定。一旦焦平面器件制造完成，這種制造工藝產生的非均勻性因素將始終存在。由于非均勻性校準的算法復雜性高以及焦平面陣列的規模較大，校準時間長，特別針對器件本身非均勻性的校準，通常在一次校準后，使用一個數字存儲器對得到的校準信息進行存儲，以便在實際應用時，直接調用存儲在記憶模塊中的校準信息，完成對讀出電路的輸出補償，從而實現一次校準，多次補償。

現有的校準信息存儲方案主要有兩種。一種是基于片外存儲芯片存儲，即在讀出電路芯片外，板級集成存儲芯片，存儲芯片和紅外焦平面陣列通過板級互連線進行芯片間通信。這種方案受到芯片封裝、管腳、板級互連線自身、互連線之間、互連線與基板之間的寄生電容、電阻、電感影響，在讀取速率，信號動態范圍，帶寬等方面受到嚴重限制。另一種利用大規模集成電路技術將存儲芯片集成到讀出電路芯片內部，即芯片內部實現平面集成的存儲方案，則由于數字存儲和焦平面陣列兩者巨大的規模受到嚴重制約。以640*512像素規模的焦平面陣列為例，對失調誤差和增益誤差兩項分別以6比特進行非均勻性校準，數字存儲控制芯片規模經過編譯，在0.13um工藝代下面積接近3.5mm*3.5mm，0.18um工藝代下為4.8mm*4.8mm，而在焦平面陣列典型的0.35um工藝代下更是達到9.4mm*9.4mm。由此可見平面封裝集成嚴重降低了讀出電路芯片的封裝密度，加劇了芯片面積損耗，提高了成本；另一方面受限于芯片的面積、平面距離和信號的相位，數字存儲控制模塊與讀出電路模塊之間的通信也容易造成阻塞，影響效率，另外單顆芯片的功耗也大大增加。因此，實現紅外焦平面陣列的快速發展和產業化，需要一種新的數字存儲控制芯片與紅外焦平面陣列的通信集成方案，解決現有校準信息存儲方案低速低效、高成本高損耗的問題。

發明內容

本發明的目的是克服現有非均勻性校準數字存儲控制芯片與紅外焦平面陣列的通信集成問題，提出一種紅外焦平面陣列非均勻性校準數字存儲控制芯片與紅外焦平面陣列的三維集成方案。三維集成技術可通過對已有生產工藝的拓展來實現二維尺寸的進一步縮小，從而消除光刻成本的增加。另外，在三維集成的前提下，數字存儲控制芯片可以采用與焦平面陣列不同的工藝，即在焦平面陣列為了保證模擬部分的性能而采用0.35um工藝時，數字存儲控制芯片可以采用特征尺寸更小的工藝，在提高了數字存儲控制芯片的性能的同時降低了成本。本發明提出的三維集成方案很好的解決了現有板級集成的讀寫速率低、系統復雜、信號動態范圍和帶寬受到嚴重限制等問題；同時避免了芯片內部平面集成方案的低封裝密度，高面積損耗，高成本，高功耗，低效率等問題；提高了紅外焦平面陣列的整體性能。

本發明公開了一種三維集成方案，所述三維集成方案包括：紅外焦平面陣列，實現非均勻性校準數據存儲及數字算法的數字芯片，數字存儲控制芯片以三維集成的方式與紅外焦平面陣列實現電連接，該三維集成方案的協同設計。

所述紅外焦平面陣列可以是單顆芯片，也可以是包含多顆芯片的部分或全片晶圓。

所述紅外焦平面陣列芯片可以是組裝紅外探測器的陣列芯片，也可以是未組裝紅外探測器陣列的讀出電路芯片。

所述紅外焦平面讀出電路像素單元結構包括但不限于自積分型(SI)、源跟隨型(SFD)、直接注入型(DI)、反饋增強直接注入型(FEDI)、電流鏡柵調制型(CM)、電阻負載柵調制型(RL)、電容反饋跨阻抗放大器型(CTIA)、電阻反饋跨阻放大器型(RTIA)。