面阵TDI成像芯片：王子豪博士

面阵TDI成像芯片：王子豪博士

我博士生涯的开始和结束都是与面阵TDI成像芯片紧密相连的。

空间遥感是传感与成像实验室的一个重点研究方向。在一个低轨视频卫星中，由于相机和地面之间存在高速的相对运动，为避免图像中出现运动模糊，每一帧成像的曝光时间都非常短，进而导致传感器像素收集的光信号很少、图像信噪比很低。为解决这一难题，导师提出了把电荷转移功能引入到像素中，进而让传感器具有TDI成像功能的想法。当时我还是研二，即将硕转博，对像素和器件方面的研究有着浓厚的兴趣，因此导师将这一构想交由我去实现。

经过至少两周的思考，详细设计了三种以上的像素和阵列方案后，我选择了其中可实现性最高的一种作为主要的验证方向。该方案将CCD结构引入到像素中，使得像素同时具有光电荷收集、电荷转移和读出的功能。在曝光时，只需要让所有像素中收集的光电荷与投影于传感器的像同步转移，就能实现电荷信号与图像中单个点的光信号在运动中也能保持一一对应，从而避免了运动模糊；当曝光结束时，再控制像素将收集到的光电荷信号转化为电压信号进而量化为图片中的数字灰度值。原理是清晰的。经过TCAD仿真和类似结构的文献调研，我对方案的可实现性也有了很大的信心。下一步就是对方案进行流片验证。

随之而来的是一个现实问题。由于面阵TDI成像的曝光过程涉及多个像素之间的协同，难以通过传统的对单像素进行探针测试的方式进行验证，必须要借助外部电路去控制像素阵列进行完整的成像。也就是说需要直接设计一款具有完整成像功能的原理验证芯片，进而对芯片进行成像实验。但当时实验室正处于项目的关键时期，短时间内难以腾出人手与我一同完成芯片的设计。等待不符合我的习惯。经过与师兄弟的讨论，我决定参考此前项目中的一款原理验证芯片，对行列电路模块的数量进行调整以适配我设计的面阵TDI阵列，进而拼接成一款功能完整的面阵TDI成像芯片。对于原本芯片中所不具备的电荷转移控制功能，我计划将阵列的相关端口接至片外，通过板级电路实现控制。在接下来的一个月内，我阅读并消化了此前项目的原理验证芯片设计文档、原理图和版图，并独自完成了面阵TDI成像芯片的原理图搭建、版图设计以及DRC和LVS检查。

投片和等待是一个漫长的过程。这段时间内，我也将主要的精力都投入到实验室的重点项目中，但我心中的期待却从未消失。通过深度参与重点项目的像素研发工作，我也积累了大量的工程经验、增长了分析和解决问题的能力。最终，当我看到那颗有着熟悉的版图布局的芯片出现在我面前时，已经是两年多之后了。此时已面临毕业压力，难关从这里才真正开始。

由于这是我第一次设计完整的芯片，我心中是颇为忐忑的，尤其是当第一次上电并尝试拍照，结果却得到了一张完全没有信息的全零图片时。顶住压力，按部就班地排查错误、定位问题来源是唯一能做的。没过几天，我发现了一个残酷的事实：芯片的数字电源和地之间是短路的。是设计失误还是ESD失效？我又检查一遍DRC和LVS，发现竟然是版图拼接时，数字IO和内部寄存器电路之间的走线出现了交叠，导致数字电源和地之间直接通过金属线相连了。而在投片前检查LVS时，我心存侥幸地没有将数字IO电路和版图加入进去。此时木已成舟，重新流片是不可能了。但我不能放弃。由于短路金属线仅仅是一根细的金属走线，我又尝试联系一家专业做FA的公司进行线路修复，基于划片得到的裸die，将短路的金属线通过FIB去除，再进行封装打线。整个过程耗时一个月。当再次拿到芯片并尝试拍照时，芯片终于不再输出全零图片了，我悬着的心也放下了一点。问题并没有结束：虽然不是全零图片，可图片中也出现了大量的坏列和坏区，且随着拍照次数的增加而恶化。这样仍然是无法正常进行成像测试的。没有办法，在没能正常成像之前，谁也无法预知成功与否。又经过了两个多月的重复测试，烧毁了无数芯片后，我摸索并理清了一套能够使电路在高度overdrive下仍然正常工作的高压上电顺序。至此，芯片中电路部分的功能总算正常了，可以开始针对像素的测试了。

作为一种新型传感器像素，面阵TDI像素的器件特性是需要从零摸索的，相关的器件物理也是需要从头研究的。这需要详尽的测试和基于半导体器件物理的分析，而不管是测试的方法还是理论都需要基于常规图像传感器再结合TDI像素的特点进行进一步创新。整个过程是及其漫长的，其中也出现过难以解释的问题。但有了之前的经验，我坚信物理规律是不会骗人的，只要坚持探查，总会发现事情的真相。最终，当符合预期的具有面阵TDI功能的成像结果以及像素性能测试结果出现在我眼前时，那份苦尽甘来的成就感是无可比拟的。凭借这些结果，我也总算可以给我的博士生涯画上圆满的句号了。

如果要我说，我在博士期间的最大收获是什么，那必然是这种从零开始，一步一步解决实际问题，最终得到一块饱含了个人智慧与心血的芯片的经历了。不管是不是从功利的角度，都是如此。