三星2亿像素3层堆栈式传感器即将问世

据悉，三星即将发布一款3层堆叠式晶体管传感器（2层模拟电路+1层数字电路），预计分为200MP（1/1.56"）、64MP（1/2.76"）、50MP（1/3.13"）三种型号，单像素面积为0.5um。其中，200MP型号的传感器用于对标三星旗下HP2、HP9两款传感器，或许它会被用在三星S25系列中。

在过去10多年时间里，索尼一直是CMOS图像传感器技术领导者，先是用铜互连技术代替铝互联技术，接着是BSI代替FSI，堆栈式结构实现了传感器集成大规模数字电路，2层晶体管像素技术可以视为堆栈式结构的进化。在2021年12月11日举办的IEEE国际电子设备会议上索尼宣布了该技术，其能够将饱和信号量约提升至原来的2倍，扩大了动态范围并降低噪点，从而显著提高成像性能。

2层晶体管像素是负责光电转换的光电二极管与控制信号的像素晶体管分离到不同硅片，这样位于第一层硅片的光电二极管得以占据像素晶体管空间，在相同时间内能够把更多光子转换成电子。由于第二层硅片不用放置光电二极管，不但容纳了除了像素晶体管之外的像素晶体管（包含复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管），而且拥有更多空间放置大尺寸放大晶体管，也就是获得一个更强劲的ADC，这个ADC既可以用于提升传感器读取深度，也能用于提升画质。

以IMX888为例，传感器的大小为11.37x7.69mm，总像素为4800万，单个像素间距为1.12um，每一个像素都采用左右光电二极管分列的结构，以实现PDAF对焦。整块传感器共有三片硅片构成，从微透镜方向数起（图中从下向上），分别是第一层CIS（CMOS Image Sensor）、第二层CIS以及ISP，其中第二层CIS与ISP之间通过最新的DBI CU连接起来（Direct Bond Interconnect CU，铜直接键合技术），不过两层CIS是通过更为传统的TSV（Through Silicon Via，硅通孔技术）互联。

下图是两层CIS连接面的特写，能够清晰看到第二层CIS通过金属触点与第一层传输控制晶体管（TG）相连接，传输控制晶体管是少数保留在第一层CIS的像素晶体管。而且DTI（Deep Trench Isolation，深沟隔离）深度进一步加深，帮助更多光子进入了光电二极管。

换一个角度观察，黄色方框是单个像素，可以清楚看到它由两个子像素组成（双光电二极管PDL与PDR），在像素晶体管放置到第二层CIS后，光电二极管能够获得更大的空间。

无论是从理论还是实测来看，2层晶体管像素技术提升画质是相当有效的，不过堆栈式CMOS传感器增加了至少一层硅片，相当于增大了面积，导致成本上扬，至今只有苹果和三星采用堆栈式传感器。2层晶体管像素堆叠式CMOS图像传感器使用三层硅片，导致成本进一步飙升，恐怕连苹果也不愿意使用。

来源：机械之瞳  在此特别鸣谢

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