Architektury warstwowych matryc obrazujących CMOS (stacked CMOS). Po lewej: Standardowa warstwowa matryca CMOS; Po prawej: Warstwowa matryca Sony CMOS z dwuwarstwowymi pikselami.

W przypadku standardowych matryc obrazujących CMOS fotodiody i tranzystory pikseli znajdują się na tym samym podłożu. Dzięki nowej technologii Sony fotodiody i tranzystory pikseli są umieszczone na różnych warstwach podłoża.

Ta nowa architektura umożliwia około dwa razy większy* poziom nasycenia sygnału** niż w standardowych matrycach obrazujących. Rozszerza zakres dynamiki i zmniejsza szumy, a w rezultacie znacząco poprawia właściwości generowanego obrazu. Struktura pikseli w nowej technologii umożliwi utrzymanie lub poprawę obecnych właściwości nie tylko w pikselach o aktualnych rozmiarach, lecz także mniejszych.

* Na podstawie porównania obecnej matrycy obrazującej i nowej technologii wykorzystanej w matrycy obrazującej Sony CMOS BSI, w przeliczeniu na jeden mikrometr (μm) kwadratowy; stan na dzień publikacji komunikatu, 16 grudnia 2021 r.

** Maksymalny ładunek możliwy do zgromadzenia w jednym pikselu.

Informację o tym przełomowym osiągnięciu firma Sony przekazała podczas konferencji IEEE International Electron Devices Meeting, która rozpoczęła się w sobotę 11 grudnia 2021 r.

Warstwowe matryce obrazujące CMOS mają konstrukcję, w której układ pikseli, złożony z pikseli w technologii BSI, jest nałożony na układ obwodów logicznych z uformowanymi obwodami przetwarzania sygnału. W samym układzie pikseli fotodiody zamieniające światło na sygnały elektryczne, a tranzystory pikseli do sterowania sygnałami znajdują się obok siebie na tej samej warstwie. Zwiększenie poziomu nasycenia sygnału przy uwzględnieniu ograniczeń wymiarowych ma duże znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości i szerokiego zakresu dynamicznego.

Nowa architektura Sony stanowi postęp w technologii warstwowych matryc obrazujących CMOS. Wykorzystanie firmowej technologii tworzenia warstw umożliwiło umieszczenie fotodiod i tranzystorów pikseli na osobnych, nałożonych na siebie podłożach (najpierw fotodioda, a pod spodem warstwa tranzystorowa.

Przekrój matrycy obrazującej CMOS z dwuwarstwowymi pikselami

W przypadku standardowych warstwowych matryc obrazujących CMOS fotodiody i tranzystory pikseli znajdują się obok siebie na tej samej warstwie. Nowa technologia nakładania umożliwia wdrażanie architektury ze zoptymalizowanymi warstwami fotodiod i tranzystorów pikseli. W rezultacie poziom nasycenia sygnału jest około dwóch razy wyższy niż w standardowych konstrukcjach, co przekłada się na szerszy zakres dynamiczny.

Co więcej, z wyjątkiem bramek TRG wszystkie tranzystory pikseli (RST, SEL i AMP) znajdują się w warstwie bez fotodiod. Umożliwiło to firmie Sony powiększenie tranzystorów wzmacniających (AMP), a w rezultacie znacznie zmniejszono szumy, na które narażone są obrazy rejestrowane nocą lub w ciemnym otoczeniu.