CMOS 图像传感器的关键专利分析

来源：检索中心作者：陆然、杨燕、王晓华、张思秘发布时间：2021/6/30 17:15:56

1.引言

CMOS 图像传感器是一种典型的固体成像传感器，其利用 CMOS 半导体将光能量转换成电压信号。CMOS 图像传感器的发展开端始于 1963 年由 Morrison 研发的可计算传感器，其利用光导效应测定光斑位置的结构；1995 年低噪声的 CMOS 有源像素传感器单片数字相机获得成功，CMOS 图像传感器产品正式实现商用。

CMOS 图像传感器具有以下几个优点[1-3]：1）随机窗口读取能力，随机窗口读取操作是 CMOS 图像传感器在功能上优于 CCD 的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。此外，CMOS 图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。2）抗辐射能力，CMOS 图像传感器潜在的抗辐射性能相对于 CCD 性能有重要增强。3）系统复杂程度和可靠性，采用 CMOS 图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。4）非破坏性数据读出方式。5）优化的曝光控制。6）价格比 CCD 器件低 15%~25%。7）是其芯片的结构可方便地与其它硅基元器件集成，从而可有效地降低整个系统的成本。鉴于 CMOS 图像传感器相对优越的性能，使得 CMOS 图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。

2．CMOS 图像传感器关键专利技术分析

由于 CMOS 图像传感器的上述优点，这些优势使得技术人员致力于 CMOS 图像传感器的工艺和结构来优化 CMOS 图像传感器的性能。近年来，随着 CMOS 图像传感器的性能被大大提高，其正在逐渐取代传统 CCD 图像传感器的主流地位。CMOS 图像传感器技术作为半导体产业中最具发展潜力的领域之一，外国企业相对于中国企业具有较为明显的优势。我国企业如果在该技术领域进行创新可以从一些关键技术专利入手，利用和借鉴的角度寻找技术突破口。

以全球范围内在 2011 年 12 月 31 日前公开的 5133 篇 CMOS 图像传感器专利文献作为分析样本。图 1 为 1991 年至 2011 年间 CMOS 图像传感器相关专利的申请量情况。

可以看出在 90 年代后期至 2008 年期间，相关领域的专利申请量有明显的增加。这是由于 1995 年 CMOS 图像传感器首次实现商用后，这项新技术吸引了各大企业的关注，各大企业试图尽早占领 CMOS 图像传感器市场而加大了对该领域研发和申请专利的力度。

图 1 专利申请量分析

根据专利申请的被引频次（截至到 2013 年 6 月）筛选了以下被引频次在 50 次以上的的专利文献。被引频次能够表征该篇专利文献被该领域技术人员所关注的程度，被引频次越高，说明其被技术人员关注的程度越高，在该专利文献作为基础专利被再次创新的可能性越高。因此，将这些专利视为关键专利技术。相关专利如表 1 所示。

文献号	被引次数	专利权人	申请日	技术特点
EP0738010A2	326	伊士曼柯达公司	1996-10-16	图像传感器通过传输晶体管传送钉扎二极管产生电荷，并采用浮置扩散区与CMOS 电路耦合，从而为单个像素提供寻址能力。
US6204524B1	200	MICRON TECHNOLOGY INC	1999-07-14	通过制作与电荷存储区平行设置的存储电容，提供了一种改进的电荷存储方式。该存储电容可以为一种制作于像素上方的平板电容器、层叠电容器或者为沟槽型的电容。通过上述技术手段改进了 CMOS 传感器的信噪比和动态范围。
US5955753A	141	CANON KK	1997-09-22	CMOS 图像传感器通过传送开关将元件产生的电荷转移到散区域中，浮置扩散区中的电势信号通过一个源极跟随放大器被输出。其中，几个光电转换器件开关连接到一个浮置扩散区。该光电转转换器件由MOS晶体管和位于栅极下的耗尽层构成。
US6376868B1	129	MICRON TECHNOLOGY INC	1999-06-15	用于 CMOS 图像传感器的多层栅极，该多层栅极具有绝缘层、导电层、任意的硅化物层，以及第二绝缘层。此外，该图像传感器还包括第二栅极，第二栅极具有第二导电层，并至少部分的在多层栅极的表面上方。
US5614744A	122	NATSEMICONDUCTOR CORP	1995-08-04	在 CMOS 图像传感器中，设置了引导环、保护扩散区和/或其结合的方式，来防止在有源区边缘产生的电子对图像传感器像素的冲击，有效的提高了动态范围。
US5576763A	115	AT & T CORP, AMERICAN TELEPHONE & TELEGRAPH CO, LUCENT TECHNOLOGIES INC	1994-11-22	单一多晶有源像素，包括位于衬底上的光站点，其用于生成和存储电荷的光站点。传输晶体管的栅极为单层多晶硅。晶体管的源为衬底的掺杂区域，被称为耦合掺杂区。该单一多晶硅有源像素可以有效避免图像滞后。
CN1231516A	93	现代电子产业株式会社	1999-02-28	在 CMOS 图像传感器中，设置了具有在 1.2-4.5V 偏压下完全耗尽的低压光电二

				极管，该二极管包括P外延层、将P外延层分成场区和有源区的场氧化层、形成在P外延层的 N-区。从而提供了一种可用于低工作电压的 CMOS 图像传感器。
CN1723572A	89	量子半导体有限公司	2003-12-09	提供了一种背照式 CMOS 图像传感器，光传感器件与绝缘体上硅或锗上的 CMOS 器件单片集成。光电二极管活性层外延生长在衬底正面后去除绝缘体下方半导体材料，在绝缘体下方粘合对特定波长透明的新衬底，从而允许背面照射。
JP2003273343A	84	索尼株式会社	2002-03-19	背照 CMOS 图像传感器，包括在硅基板的引线侧设置标记，该标记由硅化物构成。该硅化物可以在通过红光或近红外的光线从背面被读出。
JP 5-207220A	83	OLYMPUS OPTICAL CO LTD	1992-01-29	CMOS 图像传感器中的每个像素包括光电转换元件，该光电转换元件具有放大器，固定模式噪音抑制电路。该固定模式噪音抑制电路包括反向放大器、n-MOS 晶体管。
CN1327269A	71	株式会社东芝	2001-03-22	CMOS图像传感器包括在硅衬底上选择地形成读出栅电极，其一端形成 N 型漏极区，另一端上形成N型信号存储区。使 p+型表面屏蔽区在N型信号存储区上选择外延生长，从而解决了因元件细微化及低电源电压化的要求而产生的虚假信号和电位势垒并提高元件性能。
KR2000003406A	66	现代电子产业株式会社	1998-06-29	CMOS图像传感器包含光敏区域，在该区域中包含一个隐藏式光电二极管，与该光电二极管耦合的晶体管，形成于栅极上且经过重掺杂的光敏区域以外的硅化物层。
CN1681211A	56	索尼株式会社	2005-02-23	配合 CMOS 图像传感器使用的电压比较器和模拟数字转换器，电压比较器比较经由垂直信号线在每个行控制信号线处输入的像素信号与参考电压，产生时间轴上长度对应于复位分量和信号分量振幅的脉冲信号。
CN1734778A	54	索尼株式会社	2005-02-23	CMOS图像传感器及其驱动方法，该传感器包括若干的列-并行ADC。每个ADC包括比较器和递增/递减计数器。利用这种结构，不是用附加的电路，就能够相加多行中的像素的数字之。并且能够增加祯速率。
CN1487589A	51	索尼公司	2003-05-20	CMOS图像传感器在衬底的第一表面设置光电二极管、读取电路，第二表面具有受光平面，光电二极管及其周围的p型阱区设置在未到达衬底背面的层结构中，以将自衬底背面进入的电子因导致光电二极管。
JP2001015727A	50	株式会社东芝	1999-06-30	CMOS 图像传感器具有光电二极管，该光电二极管的一部分延伸到栅电极下放的位置。该光电二极管和漏区层通过穿孔停止区域被分离。当向栅极施加电压时，积累于光电二极管层的电荷经由栅极下方的沟道被传送，从而不会被表面屏蔽层内部的电势所影响。

表 1 CMOS 图像传感器关键专利一览表

从以上的关键专利技术可以看出，从 90 年代中后期到 2006 年是 CMOS 图像传感器技术发展迅速的时期，在该时期内不仅 CMOS 图像传感器专利文献的申请量相对较高，而且引用频次在 50 次以上的关键技术专利公开的时间大多集中于这段时期。而对这些关键专利的专利权人进行分析，可以发现这些引用频次在 50 次以上的关键技术的专利权人全部为如日、韩的外国公司，说明在这段时期内部分外国企业已经完成了 CMOS 图像传感器市场的主要布局。在这种形势下，中国企业目前对于 CMOS 图像传感器技术的研究起步较晚，在1999 年中国本土申请人才提出了第一件关于 CMOS 图像传感器的专利申请。需要注意到的是在 2000 年前关键技术专利中具有中国同族的专利的比例并不高，这是由于当时数码相机等设备价格较高，在中国市场并未普及，因此中国图像传感器的市场尚未

引起外国企业的重视。这样导致了部分早期 CMOS 图像传感器关键技术在中国国内并未受到垄断保护。中国企业在进行技术研发时可以自由的利用或改进上述技术。而由于中国市场的发展以及中国企业逐渐对该领域的关注，在 2000 年后具有中国同族的专利比例达约占20%，说明中国已经成为 CMOS 产品的重要市场之一。

3.小结

CMOS 图像传感器作为最具有潜力的图像传感器，其具有巨大的市场潜力。在 20 世纪90 年代中期至 2006 年是 CMOS 图像传感器研发最繁荣的时期，在这段时期内国外企业掌握了大量的关键技术专利，成功占领了市场。中国企业在 CMOS 图像传感器领域的研发相对起步较晚，掌握的关键技术很少。中国企业目前迫切需要缩小与外国企业之间的技术差距，并且有效的规避专利风险。对于中国企业来说，可以通过对于已失效的专利技术进行分析寻找进一步改进该技术的技术方案，寻找技术的突破口；还可以通过对未进入中国的关键技术专利进行合理的使用。此外，中国企业在提高自身技术研发水平和专利申请质量的同时，还可以考虑与国内企业间的技术合作，通过技术互补，提高技术发展水平。

参考文献

[1]柳笛，黎福海，荣宏，等.CMOS 图像传感器优势和最新产品[J].电视技术，2007，31（11）：29-30

[2]李春明,姜威,高超,张英和.CMOS 图像传感器芯片 OV9620/OV9120 及其应用[J].电视技术，2003，12：66-74

[3]郭明安, 李斌康. 高帧频 CMOS 摄像机控制驱动时序的设计与实现[J].电视技术，2004，2：88-89