Kleine Kameras wollten mehr Megapixel ohne größere Sensoren, doch schrumpfende Pixel sammelten jeweils weniger Licht. Die naheliegende Antwort war bessere Signalverarbeitung; die schwierigere Antwort war, den physischen Weg der Photonen zu ändern.
In seiner Ankündigung vom Juni 2008 erklärte Sony, sein Prototyp eines rückseitig beleuchteten CMOS-Sensors verwende 1,75-Mikrometer-Pixel, fünf effektive Megapixel und 60-fps-Betrieb. Im Vergleich zu einem frontseitig beleuchteten Sony-Sensor mit gleicher Pixelgröße meldete das Unternehmen eine nahezu doppelte Empfindlichkeit und eine Signal-Rausch-Verbesserung von +8 dB.
Der clevere Schritt war struktureller Natur. Durch die Beleuchtung der Rückseite des Siliziumsubstrats verringerte Sony die Abschattung, die durch frontseitige Metallverdrahtung und Transistoren verursacht wird. Die üblichen Nachteile der Rückseitenbeleuchtung wurden dann mit einer neuen Photodiode, einer optimierten On-Chip-Linse und hochpräziser Ausrichtung bewältigt.
Im Jahr 2010 erklärte Sony, Exmor R sei seit 2009 in Sony-Produkten der digitalen Bildverarbeitung im Einsatz, und kündigte Sensoren für Mobiltelefone an, die auf derselben rückseitig beleuchteten Idee beruhen.
Licht von hinten eintreten lassen
Es packte den optischen Engpass an, bevor das Signal zu verrauschten Daten wurde.
Das Design bewahrte CMOS-Vorteile wie geringen Stromverbrauch und schnelle Auslesung.
Der Eintritt von der Rückseite machte kleine Pixel nützlicher, statt sie nur kleiner zu machen.
Die Bewältigung von Dunkelstrom, Defekten und Farbvermischung machte aus einer Laborstruktur ein fertigbares Kamerabauteil.
Wenn die Miniaturisierung jedes Bauteil um dieselbe Oberfläche kämpfen lässt, verwandelt man den Stapel in ein dreidimensionales Designproblem.
Rückseitig beleuchtetes CMOS wurde zum Standard in Premium-Sensoren für Telefone und Kameras. Sonys Markenname Exmor R machte einen vergrabenen Halbleiterstapel für Verbraucher durch bessere Fotos bei schwachem Licht sichtbar.
DEN BELEGEN FOLGEN
Die Quellen
- Sony develops back-illuminated CMOS image sensor, realizing high picture quality, nearly twofold sensitivity and low noise Sony Group · sony.com ·
- Sony commercializes world's first 16.41 Megapixel Exmor R back-illuminated CMOS image sensors for mobile phones Sony Group · sony.com ·
- A 1/2.3 inch 10.3Mpixel 50frame/s back-illuminated CMOS image sensor IEEE International Solid-State Circuits Conference · doi.org