Bildsensoren Erster Stacked-CMOS-Sensor mit Zwei-Schichten

Von Gerd Kucera

Die weltweit erste Stacked-CMOS-Bildsensor-Technologie mit Zwei-Schichten-Transistor-Pixel hat Sony Semiconductor Solutions auf dem IEEE International Electron Devices Meeting vorgestellt – ein wichtiger Schritt für diese CMOS-Sensor-Technologie.

Mit seiner neuen Technologie mit 2-Schichten-Transistor-Pixel gelingt Sony ein wertvoller Beitrag zur Verbesserung der Fotoqualität, vor allem im Smartphone-Bereich.
Mit seiner neuen Technologie mit 2-Schichten-Transistor-Pixel gelingt Sony ein wertvoller Beitrag zur Verbesserung der Fotoqualität, vor allem im Smartphone-Bereich.
(Bild: Sony)

Während bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren in Stacked-Bauweise die Fotodioden und Pixel-Transistoren nebeneinander auf demselben Substrat angeordnet sind, werden sie bei der neuen Technologie von Sony auf separaten Substraten übereinander angeordnet. Die neue Stacking-Technologie ermöglicht die Einführung von Architekturen, bei denen die Fotodioden- und Pixeltransistorschichten jeweils optimiert werden können.

So wird der Signalsättigungswert (die maximale Elektronenspeicherkapazität eines einzelnen Pixels) im Vergleich zu herkömmlichen Bildsensoren in etwa verdoppelt, der Dynamikbereich erweitert und das Rauschen reduziert, was die Abbildungseigenschaften erheblich verbessere. Die Pixel-Struktur der neuen Technologie ermöglicht es, die bestehenden Eigenschaften der Pixel nicht nur bei den derzeitigen, sondern auch bei kleineren Pixelgrößen beizubehalten oder zu verbessern.

Die neue Technologie erweitert den Dynamikbereich und reduziert das Rauschen, indem sie den Signalsättigungswert in etwa verdoppelt.
Die neue Technologie erweitert den Dynamikbereich und reduziert das Rauschen, indem sie den Signalsättigungswert in etwa verdoppelt.
(Bild: Sony)

Der rauscharme CMOS-Bildsensor hat einen gestapelten Aufbau, bestehend aus einem Pixel-Chip mit rückseitig beleuchteten Pixeln, der sich über einem Logik-Chip mit den Signalverarbeitungsschaltungen befindet. Im Pixel-Chip sind Fotodioden zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale und nebeneinander auf derselben Ebene angeordnete Pixel-Transistoren zur Steuerung der Signale integriert. Den Signalsättigungswert innerhalb der Beschränkungen des Formfaktors zu erhöhen, trage wesentlich dazu bei, eine hohe Bildqualität mit großem Dynamikbereich zu erzielen.

Weiterer Vorteil: Da die Pixeltransistoren (außer den Transfer-Gattern) Rückstelltransistoren, Auswahltransistoren und Verstärkertransistoren eine fotodiodenfreie Schicht belegen, können die Verstärkertransistoren vergrößert werden. Durch diese Vergrößerung der Verstärkertransistoren ist es Sony gelungen, das Rauschen, das vor allem bei Nachtaufnahmen und Aufnahmen in dunklen Umgebungen häufig ein Problem darstellt, erheblich zu reduzieren.

Der erweiterte Dynamikbereich und die Rauschunterdrückung werden Unter- und Überbelichtungen in Umgebungen, in denen eine Kombination aus heller und schwacher Beleuchtung (z.B. bei Gegenlicht) herrscht, verhindern und hochwertige, rauscharme Bilder auch bei schwachem Licht ermöglichen (etwa beim Fotografieren in Innenräumen oder bei Nachtaufnahmen).

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