Sony Semiconductor Solutions Corporation präsentiert eine neue Technologie für Bildsensoren, die den Sättigungswert nahezu verdoppelt. Dadurch reduziert sich das Rauschen deutlich, der Dynamikumfang nimmt kräftig zu. Erreicht wird dies durch neue 2-Schichten-Transistor-Pixel, vergrößerter lichtempfindlicher Fläche. Ab wann die neue Sensortechnologie marktreif ist und in Produkten eingesetzt wird, teilt Sony nicht mit.
Bislang teilen sich auf einem CMOS-Stacked-Sensor eine Photodiode und ein Transistor die Fläche eines Pixels. Sony Semiconductor Solutions ist es nun gelungen, den Transistor unter die Diode zu schichten und damit die lichtempfindliche Fläche praktisch zu verdoppeln. Für die Bildqualität heißt das: stark reduziertes Rauschen, deutlich größerer Dynamikumfang.
Aufbau des neuen Bildsensors von Sony unterm Elektronenmikroskop
Bis erste Kameras mit dem neuen, mehrfach geschichteten Sensor erscheinen werden, dürfte noch einige Zeit ins Land ziehen. Sony weist daraufhin, dass vor allem Smartphone-Kameras von der neuen Technologie profitieren – also kleine Bildwandler mit hoher Auflösung.
Pressemitteilung von Sony Deutschland:
Sony entwickelt die weltweit erste (1) Stacked CMOS-Bildsensor-Technologie mit 2-Schichten-Transistor-Pixel
Die neue Technologie erweitert den Dynamikbereich und reduziert das Rauschen, indem sie den Signalsättigungswert (2) in etwa verdoppelt (3)
Berlin, 16. Dezember 2021. Der Sony Semiconductor Solutions Corporation („Sony“) ist es gelungen, die weltweit erste1 Stacked CMOS-Bildsensor-Technologie mit 2-Schichten-Transistor-Pixel zu entwickeln. Die neue Pixel-Architektur von Sony ist ein wichtiger Fortschritt für die Stacked CMOS-Bildsensor-Technologie. Sony gab diesen Durchbruch auf dem IEEE International Electron Devices Meeting vom 13. – 15.12.2021 in San Francisco bekannt.
Während bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren in Stacked-Bauweise die Fotodioden und Pixeltransistoren 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 (2) im Vergleich zu herkömmlichen Bildsensoren in etwa verdoppelt (3), der Dynamikbereich erweitert und das Rauschen reduziert, was die Abbildungseigenschaften erheblich verbessert. Die Pixelstruktur der neuen Technologie ermöglicht es, die bestehenden Eigenschaften der Pixel nicht nur bei den derzeitigen, sondern auch bei kleineren Pixelgrößen beizubehalten oder zu verbessern.
Der rauscharme CMOS-Bildsensor hat einen gestapelten Aufbau, bestehend aus einem Pixelchip mit rückseitig beleuchteten Pixeln, der sich über einem Logikchip mit den Signalverarbeitungsschaltungen befindet. Im Pixelchip sind Fotodioden zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale sowie nebeneinander auf derselben Ebene angeordnete Pixeltransistoren zur Steuerung der Signale. Den Signalsättigungswert innerhalb der Beschränkungen des Formfaktors zu erhöhen, trägt wesentlich dazu bei, eine hohe Bildqualität mit großem Dynamikbereich zu erzielen.
Weiterer Vorteil: Da die Pixeltransistoren (außer den Transfergattern) (TRG) – Rückstelltransistoren (RST), Auswahltransistoren (SEL) und Verstärkertransistoren (AMP) – 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 (z.B. beim Fotografieren in Innenräumen oder bei Nachtaufnahmen).
Mit seiner neuen Technologie mit 2-Schichten-Transistor-Pixel leistet Sony einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung der Fotoqualität, vor allem im Smartphonebereich.
(1) Zum Zeitpunkt dieser Ankündigung am 16. Dezember 2021.
(2) Die maximale Elektronenspeicherkapazität eines einzelnen Pixels.
(3) Vergleich auf 1-Quadrat-μm-äquivalenter Basis zwischen dem derzeitigen Bildsensor und einem mit der neuen Technologie ausgestatteten, rückseitig beleuchteten CMOS-Bildsensor von Sony; zum Zeitpunkt dieser Ankündigung am 16. Dezember 2021.
