Smartphone-Kameras: Sony schichtet Stacked-CMOS-Bildsensor effizienter
Sony Semiconductor hat ein neues Verfahren für die Aufteilung der einzelnen Schichten eines gestapelten („stacked“) CMOS-Bildsensors entwickelt, das zwei separate Substratschichten für die Fotodioden und Pixeltransistoren ermöglicht. Die Technologie soll für bessere Aufnahmen mit Smartphone-Kameras sorgen.
Das neue Fertigungsverfahren für CMOS-Sensoren wurde im Rahmen des IEEE International Electron Devices Meeting in San Francisco vorgestellt und soll mehrere Verbesserungen mitbringen. Bislang sind bei Stacked-Sensoren die Fotodioden und Pixeltransistoren nebeneinander auf demselben Substrat angeordnet und müssen sich deshalb kostbare Fläche teilen, was wiederum zu Einschränkungen in der Leistungsfähigkeit der Bauteile führt. Sony verspricht für die neue Bauweise einen erweiterten Dynamikbereich und reduziertes Rauschen im Vergleich zum Status quo.
Mehr Fläche für Optimierungen beider Schichten
Jetzt getrennt aufgebaut, kann Sony bislang nicht mögliche Optimierungen auf beiden Ebenen durchführen. Das Unternehmen erklärt, durch die Maßnahme könne der Signalsättigungswert, womit die maximale Elektronenspeicherkapazität eines einzelnen Pixels gemeint ist, verdoppelt werden. Der Vergleich beruht auf 1 μm²-äquivalenter Basis zwischen dem derzeitigen Bildsensor und einem mit der neuen Technologie ausgestatteten, rückseitig beleuchteten CMOS-Bildsensor von Sony. In Zeiten stetig höherer Auflösungen und kleiner werdender Pixel ermögliche die neue Pixelstruktur auch, die bestehenden Eigenschaften der Pixel nicht nur bei den derzeitigen, sondern auch bei kleineren Pixelgrößen beizubehalten oder gar zu verbessern. Der leichte Zuwachs der Bautiefe wird von Sony nicht weiter erläutert.
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Der neue Aufbau mit getrennten Schichten (Bild: Sony)
Der neue Aufbau und die Auswirkungen
Der gestapelte Aufbau setzt sich aus einem Pixelchip mit rückseitig beleuchteten Pixeln, der sich über einem Logikchip mit den Signalverarbeitungsschaltungen befindet, zusammen. Im Pixelchip sind Fotodioden zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale sowie nebeneinander auf derselben Ebene angeordnete Pixeltransistoren zur Steuerung der Signale verbaut. Die Pixeltransistoren befinden sich dadurch im Gegensatz zur bisherigen Fertigung auf einer fotodiodenfreien Schicht, sodass deren Verstärkertransistoren vergrößert werden können. Dadurch wiederum sei es Sony gelungen, das Rauschen, das vor allem bei Nachtaufnahmen und Aufnahmen in dunklen Umgebungen ein Problem darstellen kann, „erheblich“ zu reduzieren.
Im Ergebnis sollen der erweitert Dynamikbereich und die Rauschunterdrückung Unter- und Überbelichtungen in Umgebungen, in denen eine Kombination aus heller und schwacher Beleuchtung herrscht, verhindern und rauscharme Bilder auch bei schwachem Licht ermöglichen. Wann mit der Einführung in der Serienfertigung von CMOS-Sensoren zu rechnen sei, dazu steht die Redaktion noch in Kontakt mit Sony.