上個(gè)月，三星和豪威這兩家公司都表示，他們已經(jīng)進(jìn)入了縮小 CMOS 圖像芯片像素的下一階段?？偛课挥谑タ死腛mnivision和韓國(guó)三星都聲稱，其新產(chǎn)品的像素間距僅為 0.56 微米（從一個(gè)像素的中心到下一個(gè)像素的中心測(cè)量），大約與綠光的波長(zhǎng)一樣大。
三星目前生產(chǎn)0.64 微米像素的圖像芯片，Omnivision 在 1 月份發(fā)布了0.61 微米傳感器。Omnivision 表示，新的 0.56 微米間距的 2億像素分辨率圖像傳感器將于今年晚些時(shí)候向客戶提供，預(yù)計(jì)2023 年消費(fèi)者可以在他們的智能手機(jī)中找到它們。三星沒(méi)有透露其傳感器何時(shí)出現(xiàn)，在 2 月份的IEEE 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC) 上，他們還描述了這項(xiàng)創(chuàng)新。
光通過(guò)微透鏡進(jìn)入 CMOS 成像器像素，然后通過(guò)濾色器，然后照射到硅光電二極管。在光電二極管中，光導(dǎo)致電荷積累，然后由單獨(dú)的電路感測(cè)并數(shù)字化電荷量。使所有這些變小會(huì)導(dǎo)致許多潛在的問(wèn)題。
例如，小像素更容易受到串?dāng)_的影響，其中與像素呈微小角度進(jìn)入的光線會(huì)通過(guò)其相鄰像素，從而降低對(duì)比度。因此，工程師必須構(gòu)建能夠阻止這種串?dāng)_的結(jié)構(gòu)。兩家公司都依靠稱為深溝槽隔離的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。也就是說(shuō)，每個(gè)像素的硅與其相鄰的硅通過(guò)一道一直向下穿過(guò)硅的屏障隔開(kāi)。在像素的頂部，光線進(jìn)入的地方，他們?cè)诠韬拖袼氐募晌⑼哥R之間使用了一個(gè)相對(duì)較短的電介質(zhì)“柵欄”。
深溝隔離結(jié)構(gòu) [長(zhǎng)垂直塔] 可防止來(lái)自相鄰像素的光線進(jìn)入。金屬柵欄 [頂部] 也有助于此。三星通過(guò)在每一個(gè)之間插入一個(gè)空氣間隙[亮白色]來(lái)提高圍欄的能力
為了加強(qiáng)對(duì)雜散光的屏障，三星對(duì)柵欄進(jìn)行了修改。考慮到較低折射率的材料可以更好地阻擋光線，三星走到了極端——?dú)庀丁Ｈ堑?Sungbong Park 告訴 ISSCC 的工程師，Air 在與 CMOS 制造工藝兼容的所有材料中具有最低的折射率。通過(guò)沉積和蝕刻工藝，三星工程師在柵欄內(nèi)制造了一個(gè)空氣腔，將串?dāng)_降低了 1.2%，并將量子效率（光子轉(zhuǎn)化為電子的比率）提高了 7%。
簡(jiǎn)單地按比例縮小像素的另一個(gè)問(wèn)題是，您可以在它們飽和之前存儲(chǔ)更少的電荷，從而限制像素的動(dòng)態(tài)范圍。（動(dòng)態(tài)范圍是在低光和高光下感知的能力。）Park 說(shuō)，三星的 0.64 微米設(shè)備可以容納相當(dāng)于 6000 個(gè)電子。在不改變?nèi)魏螙|西的情況下將該區(qū)域縮小到 0.56 微米，你只剩下 3400 個(gè)。三星通過(guò)縮小隔離墻和調(diào)整光電二極管中摻雜元素的分布來(lái)增加體積，使容量恢復(fù)到 6000 個(gè)電子。
除了縮小深溝隔離屏障之外，三星還改變了其組成。工程師用具有更高介電常數(shù)的材料替換了一些絕緣材料，使其在沒(méi)有光落在像素上時(shí)更好地防止電流流動(dòng)。
兩家公司還使用芯片堆疊為像素騰出更多空間。為了被數(shù)字處理器解釋，每個(gè)像素的值必須首先被數(shù)字化。曾經(jīng)，這意味著像素的光電探測(cè)部分旁邊都有模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路。但如今，這些電路建立在一個(gè)單獨(dú)的芯片上，該芯片與光電探測(cè)器芯片相連，為更多像素留出了空間。然三星擁有自己的圖像芯片工廠，但 Ominivision 的電路芯片和光電探測(cè)器芯片都依賴臺(tái)積電。
Park 向工程師保證，未來(lái)會(huì)有更小的像素?？s小像素“并不容易，但我們會(huì)像往常一樣找到一種方法，”他說(shuō)。
豪威方面也表示，公司在實(shí)現(xiàn) 0.56μm 超小像素尺寸的同時(shí)，還提供高量子效率 (QE) 性能、優(yōu)異的四相位檢測(cè) (QPD) 自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)和低功耗。這項(xiàng)超小像素技術(shù)將會(huì)滿足多攝像頭移動(dòng)設(shè)備對(duì)高分辨率和小像素間距圖像傳感器日益增長(zhǎng)的需求。
豪威集團(tuán)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)證實(shí)，在像素尺寸已經(jīng)小于紅光波長(zhǎng)的情況下，像素壓縮不再受光波長(zhǎng)限制。該像素尺寸基于豪威集團(tuán)的 PureCel® Plus-S 堆疊技術(shù)，同時(shí)采用了深光電二極管技術(shù)將光電二極管精確地嵌入硅片深處。憑借這些先進(jìn)的技術(shù)，豪威集團(tuán)開(kāi)發(fā)出了超小像素尺寸，在相同的光學(xué)格式下可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，并進(jìn)一步使圖像傳感器具有更多 ISP 功能、更低的功耗和更高的讀取速度。
豪威集團(tuán)流程工程高級(jí)副總裁 Lindsay Grant 說(shuō)道：“推進(jìn)像素技術(shù)離不開(kāi)大量的研發(fā)創(chuàng)新，尤其是在超越光波長(zhǎng)的情況下。雖然芯片尺寸更小了，但是我們并沒(méi)有犧牲高性能。實(shí)際上，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，0.56μm 像素尺寸展示出了與 0.61μm 像素尺寸相當(dāng)?shù)?QPD 和 QE 性能。”
Grant 補(bǔ)充說(shuō)：“豪威集團(tuán)大力投資研發(fā)，幾乎半數(shù)員工都是研發(fā)工程師。作為一家全球無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體提供商，我們還與代工廠合作伙伴開(kāi)發(fā)新工藝技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先創(chuàng)新。這是一個(gè)引人注目的成就，我們優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)以及我們的代工廠合作伙伴能夠持續(xù)引領(lǐng)像素壓縮，我對(duì)他們表示贊賞?！?
