裏面照射型センサー

簡略化された裏面照射型と前面照射型のピクセル断面の比較

裏面照射型 (BI) センサーは、裏面照射型( BSI ) センサーとも呼ばれ、撮像素子の斬新な配置を使用して取り込まれる光の量を増やし、低照度でのパフォーマンスを向上させるタイプのデジタル画像センサーです。

この技術は、低照度セキュリティカメラや天文センサーなどの特殊な用途にしばらく使用されていましたが、製造が複雑で、広く普及するにはさらなる改良が必要でした。ソニーはこれらの問題とコストを十分に低減し、2009年に5メガピクセルの1.75μm BI CMOSセンサーを一般消費者向け価格で発売した最初の企業です。 [ 1 ] [ 2 ]オムニビジョン・テクノロジーズのBIセンサーは、その後、HTC EVO 4G [ 3 ] [ 4 ] Androidスマートフォンや、AppleのiPhone 4のカメラの大きなセールスポイントなど、他のメーカーの家電製品にも採用されています。[ 5 ] [ 6 ]

説明

従来の前面照射型デジタルカメラは、人間の目と同様に、前面にレンズ、背面に光検出器を配置した構造となっている。この従来のセンサー配置により、デジタルカメラの画像センサーのアクティブマトリクス（個々の画素のマトリクス）が前面に配置され、製造が簡素化されている。しかし、マトリクスとその配線によって光の一部が遮られ、光電面層は入射光の残りの部分しか受光できない。つまり、この遮蔽によって捕捉可能な信号が減少する。[ 1 ]

裏面照射型センサーには同じ要素が含まれていますが、製造中にシリコン ウェーハを反転してその裏面を薄くすることで、配線を光電陰極層の後ろに配置することで、光が配線層を通過せずに光電陰極層に当たるようにします。 [ 7 ]この変更により、入力光子が捕捉される可能性が約 60% から 90% 以上[ 8 ] (つまり、1/2 ストップ高速化) に向上します。最も大きな違いはピクセル サイズが小さいときに実現されます。これは、配線を上部 (光入射) から下部表面 (BSI 設計を言い換えると) に移動することで得られる光捕捉領域が、より小さなピクセルに対して比例して大きくなるためです。BSI-CMOS センサーは、部分的な太陽光やその他の低照度条件で最も有利です。[ 9 ]配線を光センサーの後ろに配置することは、頭足動物の目と脊椎動物の目の違いに似ています。アクティブマトリックストランジスタを光電陰極層の背後に配置すると、クロストーク（画像ノイズ、暗電流、隣接ピクセル間の色混合など）など、多くの問題が発生する可能性があります。また、薄型化によりシリコンウェハは脆くなります。これらの問題は製造プロセスの改善によって解決できますが、歩留まりが低下し、結果として価格が上昇することになります。これらの問題にもかかわらず、初期のBIセンサーは、優れた低照度性能が重要となるニッチな用途で使用されました。初期の用途には、産業用センサー、セキュリティカメラ、顕微鏡カメラ、天文学システムなどがありました。[ 8 ]

BSIセンサーの他の利点としては、広い角度応答（レンズ設計の柔軟性向上）と、おそらく高速な読み出し速度が挙げられます。欠点としては、応答の均一性が低いことが挙げられます。

歴史

業界関係者は（2008年）、裏面照射型センサーは理論上、表面照射型センサーよりも低コストになる可能性があると指摘しました。より多くの光を集めることができるため、同サイズのセンサーアレイで、メガピクセル（MP）競争に伴う低照度性能の低下なしに、より高い解像度を実現できます。あるいは、同じ解像度と低照度性能をより小型のチップで実現し、コストを削減することも可能です。これらの利点を実現する鍵となるのは、歩留まりの問題に対処するプロセスの改善であり、主に検出器前面の活性層の均一性を向上させることが挙げられます。[ 8 ]

BIセンサー採用における大きな一歩は、2007年にオムニビジョン・テクノロジーズがこの技術を使用して最初のセンサーのサンプルを出したことでした。 [ 10 ]しかし、これらのセンサーは高価なため、広く使用されることはありませんでした。最初に広く使用されたBIセンサーは、2008年9月23日に発表された1.4μmサイズの8メガピクセルを備えたオムニビジョンOV8810でした。[ 11 ] OV8810は、2009年4月と6月にそれぞれリリースされたHTC Droid Incredible [ 12 ]とHTC EVO 4G [ 4 ] [ 3 ]に使用されました。2009年6月、オムニビジョンは5MP OV5650を発表しました。[ 13 ]これは、1300 mV/lux-secで最高の低照度感度と、6 mmの業界で最も低いスタック高を特徴としていました。[ 14 ]アップルはOV5650をiPhone 4の背面カメラに採用し、低照度下での写真撮影で高い評価を得た。[ 15 ]

ソニーは、新しいフォトダイオード材料とプロセスの開発により、2009年8月にCMOSベースの「Exmor R 」という、同社初の民生用裏面照射型センサーを発表した。 [ 1 ]ソニーによると、この新材料は+8dBの信号強度と-2dBのノイズ特性を実現した。この新しい裏面照射型レイアウトと組み合わせることで、センサーは低照度性能を最大2倍向上させた。[ 1 ] iPhone 4sにはソニー製のイメージセンサーが搭載された。2011年には、ソニーは主力スマートフォンであるSony Ericsson Xperia ArcにExmor Rセンサーを搭載した。[ 16 ]

2012年10月、GoProはHero3 BlackにソニーIMX117センサーをアクションカメラ初のBSIセンサーとして搭載しました。[ 17 ]

2014年9月、サムスンはBSIピクセル技術を採用した世界初のAPS-Cセンサーを発表しました。 [ 18 ] [ 3 ]この28MPセンサー（S5KVB2）は、同社の新しいコンパクトシステムカメラNX1に採用され、フォトキナ2014でカメラと共に展示されました。

2015年6月、ソニーは裏面照射型フルサイズセンサーを採用した初のカメラ、α7R IIを発表しました。[ 3 ]

ニコンは2017年8月、近々発売予定のフルフレームデジタル一眼レフカメラ「ニコン D850」に、新しい45.7 MPセンサーに裏面照射型センサーを搭載すると 発表しました。

2018年9月、富士フイルムは、26.1MP APS-C富士フイルムX-Transセンサー（裏面照射型センサー）を搭載したミラーレス一眼カメラX-T3の発売を発表しました。 [ 19 ]

リコーは2021年4月、ソニー製のBSI 26メガピクセルAPS-CセンサーとPRIME V画像処理エンジン を搭載したペンタックスK-3 IIIを発売した。

積層CMOS

さらなる発展形として積層型CMOSセンサー[ 3 ]があり、これは回路と画像信号プロセッサ（ISP）をピクセルの背後に重ねることで、アクティブピクセルの占有面積がさらに広がり、光捕捉の可能性がさらに高まります。2012年1月に最初の積層型センサーを発表したソニーは、捕捉光量が30%増加したと主張しています。[ 20 ]積層型CMOSでは、層数を増やすだけでより複雑な処理回路を使用できるため、フレームレートと読み出し速度が向上します。[ 21 ]

2012年8月、ソニーは有効13メガピクセルと8メガピクセルの解像度を持つ積層型センサー技術Exmor RSを商品化した。 [ 22 ]

2021年4月、キヤノンは新型EOS R3に35mmフルサイズ、裏面照射型積層CMOSセンサーとDIGIC X画像処理エンジンを搭載すると発表した。 [ 23 ]

2021年5月、ソニーはマイクロフォーサーズ規格に対応した新しい裏面照射型積層センサー「IMX472-AAJK」を発表した。[ 24 ]

富士フイルムは2022年5月に同社初の積層型センサー「X-Trans 5 HS」を商品化し、富士フイルムX-H2Sに搭載した。[ 25 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c dソニー、2009
  2. ^米国特許7521335、山中秀夫、「超薄型半導体チップの製造方法および装置、ならびに超薄型裏面照射型固体撮像素子の製造方法および装置」、2009年4月21日発行、ソニー株式会社に譲渡 
  3. ^ a b c d e Zimmerman, Steven (2016年10月12日). 「Sony IMX378: Google Pixelのセンサーとその機能の徹底分析」 XDA Developers . 2016年10月17日閲覧。
  4. ^ a b「HTC EVO 4Gスマートフォンの内部とシリコンの分解」 chipworks. 2010年6月4日. 2011年7月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8月3日閲覧。
  5. ^ Tufegdzic, Pamela (2010年9月3日). 「iPhone 4がスマートフォンにおけるBSIイメージセンサーの採用を促進」 . iSuppli. 2011年7月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8月3日閲覧。
  6. ^アップル、2010年
  7. ^米国特許4266334、エドワーズ、トーマス・W.およびペニーパッカー、ロナルド・S.、「薄型基板イメージャーの製造」、1981年5月12日発行、RCAコーポレーションに譲渡 
  8. ^ a b cスウェインとチェスキス、2008
  9. ^ Yoshua Goldman. 「iPhone 4が低照度でも優れた写真を撮る理由：BSI CMOSセンサーの解説！」2014年9月29日閲覧。
  10. ^吉田 2007
  11. ^ 「OmniVision、1.4ミクロンOmniBSIテクノロジーを搭載した世界初の1/3インチ、8メガピクセルのCameraChipセンサーを発表」 EDN、2008年9月23日。
  12. ^ Brian Klug (2010年7月20日). 「Motorola Droid X：徹底レビュー」 . Anandtech. 2010年7月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  13. ^ 「OmniVision、高性能携帯電話市場にDSC品質の画像を提供」(PDF) 。OmniVision、2009年6月22日。2021年5月26日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  14. ^ 「高性能携帯電話向けDSC品質の画像：OV5650 5メガピクセル製品概要」（PDF）。OmniVision。2010年1月。
  15. ^ Philip Berne (2010年6月24日). 「レビュー：iPhone 4」 . PhoneScoop.
  16. ^ Vlad Savov. 「Sony Ericsson Xperia Arc レビュー」 Engadget . AOL . 2015年8月16日閲覧。
  17. ^ 「GoPro HERO3 Black Edition: スーパーヒーロー…」DXOMARK . 2013年7月18日. 2022年9月6日閲覧。
  18. ^ 「Samsung Semiconductors Global Site」 . 2015年8月16日閲覧。
  19. ^ 「富士フイルム、Xシリーズを第4世代に進化させたミラーレスデジタルカメラ「X-T3」を発表」富士フイルム. 2019年3月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年9月27日閲覧。
  20. ^ 「ソニーの積層型CMOSイメージセンサーが既存の問題を一挙に解決」(PDF)ソニー、2012年6月12日。2012年6月12日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  21. ^ Possibility Editorial (2023年8月30日). 「CMOSの未来は積み重なっている」 . Possibility | Teledyne Imaging .
  22. ^ 「ソニーグローバル – ニ​​ュースリリース – 世界初*1積層型CMOSイメージセンサー『Exmor RS』を開発」2015年8月16日閲覧。
  23. ^ 「キヤノン、高速・高感度・高信頼性を実現し、ユーザーの撮影領域を拡大するフルサイズミラーレスカメラ『EOS R3』の開発を発表」キヤノン. 2021年4月17日閲覧。
  24. ^ 「ソニーが新型20MP積層型BS1マイクロフォーサーズセンサーを発表。これは将来のオリンパスOMDカメラ向けか？」2021年5月30日閲覧。
  25. ^ 「X-Trans CMOS」 . fujifilm-x.com . 2022年7月3日閲覧。

参考文献

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