上個月，三星和豪威這兩家公司都表示，他們已經(jīng)進入了縮小 CMOS 圖像芯片像素的下一階段。總部位于圣克拉拉的Omnivision和韓國三星都聲稱，其新產(chǎn)品的像素間距僅為 0.56 微米（從一個像素的中心到下一個像素的中心測量），大約與綠光的波長一樣大。
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候向客戶提供，預(yù)計2023 年消費者可以在他們的智能手機中找到它們。三星沒有透露其傳感器何時出現(xiàn)，在 2 月份的IEEE 國際固態(tài)電路會議(ISSCC) 上，他們還描述了這項創(chuàng)新。
光通過微透鏡進入 CMOS 成像器像素，然后通過濾色器，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，然后由單獨的電路感測并數(shù)字化電荷量。使所有這些變小會導(dǎo)致許多潛在的問題。
例如，小像素更容易受到串擾的影響，其中與像素呈微小角度進入的光線會通過其相鄰像素，從而降低對比度。因此，工程師必須構(gòu)建能夠阻止這種串擾的結(jié)構(gòu)。兩家公司都依靠稱為深溝槽隔離的技術(shù)來實現(xiàn)這一點。也就是說，每個像素的硅與其相鄰的硅通過一道一直向下穿過硅的屏障隔開。在像素的頂部，光線進入的地方，他們在硅和像素的集成微透鏡之間使用了一個相對較短的電介質(zhì)“柵欄”。
深溝隔離結(jié)構(gòu) [長垂直塔] 可防止來自相鄰像素的光線進入。金屬柵欄 [頂部] 也有助于此。三星通過在每一個之間插入一個空氣間隙[亮白色]來提高圍欄的能力
為了加強對雜散光的屏障，三星對柵欄進行了修改。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——氣隙。三星的 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。通過沉積和蝕刻工藝，三星工程師在柵欄內(nèi)制造了一個空氣腔，將串擾降低了 1.2%，并將量子效率（光子轉(zhuǎn)化為電子的比率）提高了 7%。
簡單地按比例縮小像素的另一個問題是，您可以在它們飽和之前存儲更少的電荷，從而限制像素的動態(tài)范圍。（動態(tài)范圍是在低光和高光下感知的能力。）Park 說，三星的 0.64 微米設(shè)備可以容納相當于 6000 個電子。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。三星通過縮小隔離墻和調(diào)整光電二極管中摻雜元素的分布來增加體積，使容量恢復(fù)到 6000 個電子。
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，使其在沒有光落在像素上時更好地防止電流流動。
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單獨的芯片上，該芯片與光電探測器芯片相連，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器芯片都依賴臺積電。
Park 向工程師保證，未來會有更小的像素。縮小像素“并不容易，但我們會像往常一樣找到一種方法，”他說。
豪威方面也表示，公司在實現(xiàn) 0.56μm 超小像素尺寸的同時，還提供高量子效率 (QE) 性能、優(yōu)異的四相位檢測 (QPD) 自動對焦技術(shù)和低功耗。這項超小像素技術(shù)將會滿足多攝像頭移動設(shè)備對高分辨率和小像素間距圖像傳感器日益增長的需求。
豪威集團的研發(fā)團隊證實，在像素尺寸已經(jīng)小于紅光波長的情況下，像素壓縮不再受光波長限制。該像素尺寸基于豪威集團的 PureCel® Plus-S 堆疊技術(shù)，同時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。憑借這些先進的技術(shù)，豪威集團開發(fā)出了超小像素尺寸，在相同的光學格式下可以實現(xiàn)更高的分辨率，并進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。
豪威集團流程工程高級副總裁 Lindsay Grant 說道：“推進像素技術(shù)離不開大量的研發(fā)創(chuàng)新，尤其是在超越光波長的情況下。雖然芯片尺寸更小了，但是我們并沒有犧牲高性能。實際上，在可見光范圍內(nèi)，0.56μm 像素尺寸展示出了與 0.61μm 像素尺寸相當?shù)?QPD 和 QE 性能。”
Grant 補充說：“豪威集團大力投資研發(fā)，幾乎半數(shù)員工都是研發(fā)工程師。作為一家全球無晶圓廠半導(dǎo)體提供商，我們還與代工廠合作伙伴開發(fā)新工藝技術(shù)方法，實現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先創(chuàng)新。這是一個引人注目的成就，我們優(yōu)秀的研發(fā)團隊以及我們的代工廠合作伙伴能夠持續(xù)引領(lǐng)像素壓縮，我對他們表示贊賞。”
