020、像素量子效率的天花板——FSI→BSI→Stacked每一代提升不足20%的物理根源与未来突破去年秋天我在调试一款车规级前视摄像头时遇到一个让人抓狂的问题夜间逆光场景下AEB自动紧急制动系统频繁误触发。排查了三天从ISP的tone mapping参数一路查到镜头镀膜最后发现根子出在传感器本身的量子效率QE上——那款FSI前照式传感器在近红外波段的QE只有18%而算法团队做标定时用的是另一款BSI背照式传感器QE是31%。就这么13个百分点的差距让整个感知链路的置信度计算全偏了。这事让我重新把像素结构的物理极限翻出来捋了一遍。今天不聊PPT上的概念就说说FSI到BSI再到Stacked每一代所谓的“技术飞跃”为什么实际QE提升从来不超过20%以及我们这些做系统的人到底该怎么看待这个天花板。先回到最底层的物理事实。一个像素的光电转换效率本质上是三件事的乘积光子到达感光区域的概率、被硅吸收后产生电子-空穴对的概率、以及这些电子被有效收集到浮置扩散节点FD的概率。FSI的问题在于入射光要先穿过上方的金属布线层和介质层这些层会反射、散射、吸收一部分光。尤其是RGB滤色片下方的微透镜它把光汇聚到感光区但金属走线在像素边缘投下的阴影直接吃掉了一部分斜入射光。这就是FSI量子效率上不去的核心——不是硅材料不行是光在到达硅之前就被“盘剥”了一层。BSI的聪明之处是把硅片翻转过来让光从背面直接进入感光区金属布线层被甩到下面去了。这一下QE从FSI的典型值比如绿光下55%-60%跳到了70%-75%。听起来很猛但仔细算算提升幅度也就20%左右。为什么因为BSI并没有解决硅本身的吸收极限。硅是间接带隙半导体对可见光的吸收系数本来就不高尤其是红光和近红外波段光子要穿透十几微米厚的硅才能被充分吸收。而像素的感光区深度通常只有2-3微米剩下的光要么穿透到底部被反射回来还得看背面有没有做减反膜要么就直接浪费了。再往后Stacked堆叠式传感器把逻辑电路和存储DRAM挪到像素阵列下面理论上感光区面积可以做得更大填充因子接近100%。但QE的提升依然被锁死在20%以内。为什么因为到了这一步限制因素已经从“光能不能到达硅”变成了“硅能不能把光变成电”。硅的禁带宽度是1.12eV对应波长约1100nm但实际在可见光波段一个光子最多只能激发一个电子-空穴对。你不可能让一个红光光子产生两个电子——除非用上带隙工程或者多激子效应但那都是实验室里的东西量产还远着呢。这里有个关键点很多人做系统设计时会忽略QE不是一条平直的曲线它是随波长变化的。FSI在蓝光波段450nm的QE衰减特别明显因为蓝光波长短在硅中的吸收深度只有0.3微米左右而FSI表面的介质层和金属层对短波长的散射更严重。BSI把这个问题缓解了但红光波段650nm以上的QE提升依然有限因为长波长光子需要更厚的吸收区。这就是为什么很多安防摄像头在850nm红外补光下BSI和FSI的差距反而缩小了——因为在这个波段两者都受限于硅的吸收系数谁也跑不快。再说说Stacked传感器的一个隐藏坑。逻辑电路下移之后像素阵列的厚度可以做得更薄但薄了之后红光和近红外的吸收效率反而下降了。有些厂商为了做薄在背面加了反射层让穿透的光再反射回来相当于增加了光程。这个设计在正入射时效果不错但一旦大角度入射比如广角镜头边缘反射光会跑到相邻像素里去造成串扰。我调试过一款手机主摄边缘偏色问题就是从这里来的——不是镜头的问题是传感器背面反射层在大角度下的行为变了。那么未来突破在哪里我个人判断有三个方向值得关注但都不是短期内能量产的。第一个是量子点光敏层。用硫化铅或钙钛矿量子点替代硅作为感光材料理论上可以通过调节量子点尺寸来“定制”吸收峰甚至实现多激子效应——一个高能光子产生两个电子。实验室里QE能做到80%以上但问题是量子点的稳定性、均匀性、以及与CMOS工艺的兼容性都还差得远。我见过几家创业公司的样品暗电流大得离谱温度一高就衰减。第二个是雪崩增益结构。SPAD单光子雪崩二极管或者APD雪崩光电二极管在像素内部实现增益相当于把QE的“有效值”放大。但SPAD有死区时间动态范围受限而且增益的随机性会让噪声变差。在车载激光雷达上用可以做普通成像的话信噪比反而可能不如传统像素。第三个是材料层面的带隙工程。比如锗硅合金或者III-V族材料吸收系数比硅高一个数量级理论上QE可以做到90%以上。但问题在于这些材料和CMOS工艺的集成难度极大晶格失配导致的缺陷密度会让暗电流爆炸。目前只有红外探测器领域有少量应用可见光成像还看不到量产可能。回到工程实践我给你的建议是别把QE当作一个孤立的参数去追。系统设计时QE要跟镜头F数、微透镜效率、像素尺寸、读出噪声放在一起看。比如一个QE 65%但读出噪声2e-的BSI传感器实际信噪比可能不如一个QE 60%但读出噪声1.2e-的FSI传感器——在低照度场景下噪声的贡献往往比QE更致命。我见过太多团队一上来就要求“必须用BSI”结果在暗光下的表现反而不如调优过的FSI方案。另外如果你在做多光谱或近红外增强的应用一定要看QE曲线的具体数值而不是只看“BSI”这个标签。有些BSI传感器在850nm的QE只有12%而某些做了深沟槽隔离的FSI传感器反而能做到18%。这就是为什么我在文章开头说那款车规FSI传感器在近红外波段只有18%的QE但算法团队拿BSI的31%做标定整个系统就崩了。最后说一个经验性的判断未来三到五年Stacked传感器的QE提升空间依然有限大概率还是在小数点后两位的级别。真正的变量在于像素尺寸的缩小——当像素从1.0μm缩到0.7μm时QE会下降但通过深沟槽隔离和背面纳米结构可以部分补偿。所以如果你在做产品选型别只看“第几代”要看“这个像素尺寸下QE和串扰的平衡点在哪里”。这个平衡点才是你系统设计的真正天花板。