Mit seiner neuen 2-Schichten-Transistor-Pixel Technologie will Sony die Fotoqualität von Smartphones verbessern. Sie erweitert den Dynamikbereich und reduziert das Rauschen, indem sie den Signalsättigungswert in etwa verdoppelt.
Der Sony Semiconductor Solutions Corporation hat die Stacked CMOS-Bildsensor-Technologie mit 2-Schichten-Transistor-Pixel entwickelt. Sony gab diesen Durchbruch auf dem IEEE International Electron Devices Meeting vom 13. bis 15. Dezember 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 im Vergleich zu herkömmlichen Bildsensoren in etwa verdoppelt, der Dynamikbereich erweitert und das Rauschen reduziert, was die Abbildungseigenschaften erheblich verbessert. Die Pixelstruktur 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).
