索尼全球首發(fā)雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感器技術(shù) 飽和信號(hào)量約提升至2倍，使動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大并降低噪點(diǎn)

索尼半導(dǎo)體解決方案公司（下稱(chēng)“索尼”）已成功開(kāi)發(fā)出全球首創(chuàng)*1的雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感器技術(shù)。傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的光電二極管和像素晶體管分布在同一基片，而索尼的新技術(shù)將光電二極管和像素晶體管分離在不同的基片層。與傳統(tǒng)圖像傳感器相比，這一全新的結(jié)構(gòu)使飽和信號(hào)量*3約提升至原來(lái)的2倍*2，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍并降低噪點(diǎn)，從而顯著提高成像性能。采用新技術(shù)的像素結(jié)構(gòu)，無(wú)論是在當(dāng)前還是更小的像素尺寸下，都能保持或是提升像素現(xiàn)有的特性。

*1: 截至2021年12月16日發(fā)布時(shí)間。

*2: 基于公司之前的圖像傳感器和應(yīng)用新技術(shù)的索尼背照式CMOS圖像傳感器之間特性的比較（換算為1um）， 截至2021年12月16日發(fā)布時(shí)間。

*3：?jiǎn)蝹€(gè)像素的較大電子存儲(chǔ)容量。

索尼在2021年12月11日（星期六）開(kāi)始的IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上宣布了這一突破性技術(shù)。

■堆疊式CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的堆疊式圖像傳感器（左）；采用新開(kāi)發(fā)的雙層晶體管像素技術(shù)的堆疊式CMOS圖像傳感器（右）

（傳統(tǒng)的）堆疊式CMOS圖像傳感器的堆疊式結(jié)構(gòu)中，背照式像素組成的像素芯片堆疊在邏輯芯片之上，而信號(hào)處理電路構(gòu)成了邏輯芯片。在像素芯片內(nèi)，用于將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電二極管和用于控制信號(hào)的像素晶體管在同一基片層并列。在這樣的結(jié)構(gòu)限制下，如何實(shí)現(xiàn)飽和信號(hào)量的較大化，對(duì)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍、高圖像質(zhì)量的攝影具有重要作用。

索尼開(kāi)發(fā)出的全新結(jié)構(gòu)是堆疊式CMOS圖像傳感器技術(shù)的一項(xiàng)進(jìn)步。索尼使用專(zhuān)有的堆疊技術(shù)，將光電二極管和像素晶體管封裝在分離的基片上，一個(gè)堆疊在另一個(gè)上面。

相比之下，在傳統(tǒng)的堆疊式CMOS圖像傳感器中，光電二極管和像素晶體管并排位于同一基片上。新的堆疊技術(shù)支持采用可以獨(dú)立優(yōu)化光電二極管和像素晶體管層的架構(gòu)，從而使飽和信號(hào)量相比于傳統(tǒng)圖像傳感器增加約一倍，進(jìn)而擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。

此外，因?yàn)閭鬏旈T(mén) (TRG) 以外的像素晶體管，包括復(fù)位晶體管 (RST)、選擇晶體管 (SEL) 和放大晶體管 (AMP)，都處于無(wú)光電二極管分布這一層，所以放大晶體管（AMP）的尺寸可以增加。通過(guò)增加放大晶體管尺寸，索尼成功地大幅降低了夜間和其他昏暗場(chǎng)景下圖像容易產(chǎn)生的噪點(diǎn)問(wèn)題。

這項(xiàng)新技術(shù)使動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大并降低了噪點(diǎn)，將避免在有明暗差（例如背光設(shè)置）的場(chǎng)景下曝光不足和過(guò)度曝光的問(wèn)題，即使在光線(xiàn)不充足（例如室內(nèi)、夜間）的場(chǎng)景下也能拍攝高質(zhì)量低噪點(diǎn)的圖像。

索尼將通過(guò)雙層晶體管像素技術(shù)致力于實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的成像，例如智能手機(jī)拍攝等。

采用雙層晶體管像素技術(shù)的CMOS圖像傳感器的橫截面圖片