携帯電話から望遠鏡まで、光を捉えて画像に変換するカメラにはイメージセンサーが必要です。CMOS (前面照射型) センサーと BSI (背面照射型) センサーは同様の原理で動作しますが、構造が異なるため、光の取り込み、ノイズ、色の品質に影響します。この記事では、その設計、性能、用途、今後の展開について詳しく解説します。
CC7です。BSIからスタック型CMOSアーキテクチャへ
CMOSセンサーとBSIセンサーの概要
ポケットの中のスマートフォンから遠くの銀河を探索する望遠鏡に至るまで、すべてのカメラは、イメージセンサーが光をどれだけ効率的に捉えるかにかかっています。CMOSセンサーとBSIセンサーはどちらも同様の半導体原理に従いますが、構造の違いにより、光感度、ノイズ性能、画質に大きなばらつきが生じます。従来のCMOS(前面照射型、FSI)センサーでは、金属配線とトランジスタがフォトダイオードの上に配置され、入射光を部分的に遮断し、全体的な感度を低下させます。この設計により、CMOSセンサーはコスト効率が高く、製造が容易になりますが、低照度性能は制限されます。対照的に、BSI (裏面照射型) センサーは構造を反転させ、フォトダイオードを上に配置して、光が遮ることなく直接到達するようにします。これにより、量子効率が向上し、ノイズが低減され、デジタル一眼レフカメラから科学機器に至るまで、コンパクトまたはハイエンドのイメージングシステムのパフォーマンスが向上します。
CMOSセンサーアーキテクチャ
前面照射型(FSI)CMOSセンサーは、デジタルカメラやスマートフォンで使用されていた以前の従来のイメージセンサー構造を表しています。このアーキテクチャでは、入射光は、光子を電気信号に変換する感光領域であるフォトダイオードに到達する前に、複数の層の材料を通過する必要があります。
作業プロセス
ディスプレイ内の各ピクセルは、マイクロレンズ、カラーフィルター、金属相互接続、トランジスタ、フォトダイオード層を含む調整されたプロセスを通じて動作します。マイクロレンズはまず、赤、緑、青のカラーフィルターを通して入射光を集束させ、特定の波長のみが各サブピクセルに到達するようにします。フォトダイオードの上では、金属相互接続とトランジスタがピクセルの電気制御と信号の読み出しを管理しますが、その位置によって入射光の一部が部分的に遮断される可能性があります。これらの層の下にはフォトダイオードがあり、残りの光を捕捉して電荷に変換し、ピクセルの基本画像信号を形成します。
FSI設計の限界
• 光感度の低下: 光の一部は、フォトダイオードに到達する前に配線層とトランジスタ層によって反射または吸収されます。
• フィルファクターの低減: ピクセル サイズが縮小すると、ピクセル全体の面積に対する感光領域の比率が減少し、ノイズが増加します。
• 低照度性能の弱さ: FSI センサーは、BSI センサーなどの最新の代替品と比較して、薄暗い環境では苦戦します。
BSI CMOSセンサーの内部
裏面照射型(BSI)CMOSセンサーは、従来の前面照射型(FSI)設計の大きな欠点である金属配線やトランジスタからの光の遮断に対処することで、デジタルイメージングに革命をもたらしました。BSIはセンサーの構造を逆にすることで、入射光がフォトダイオードに直接到達することを可能にし、光効率と画質を劇的に向上させます。
BSIテクノロジー機能
• シリコンウェーハはわずか数マイクロメートルまで薄くして、感光層を露出させます
- フォトダイオード層は上面に配置され、入射光に直接面しています。
- 金属配線とトランジスタ回路を裏側に再配置し、光路を妨げないようにしています
- 高度なマイクロレンズが各ピクセルに正確に位置合わせされ、最適な光の集束を保証します。
BSIセンサーの利点
• より高い光吸収効率: FSI センサーと比較して最大 30-50% 向上し、より明るく鮮明な画像が得られます。
• 優れた低照度性能: 光子損失の低減により感度が向上し、暗い環境でのノイズが最小限に抑えられます。
• 色精度の向上: 遮るもののない光路により、カラー フィルターはより正確で鮮やかな色調を生成します。
• コンパクトなピクセル設計: BSI は画質を維持しながらより小さなピクセル サイズをサポートし、高解像度センサーに最適です。
• 強化されたダイナミック レンジ: シーンの明るい領域と薄暗い領域の両方で信号のキャプチャが向上します。
光効率と感度の比較
| 特集 | FSI CMOSセンサー | BSIセンサー |
|---|---|---|
| ライトパス | 配線を通過する光は部分損失→ | フォトダイオードに直接接続→損失を最小限に抑える |
| 量子効率(QE) | 60〜70% | 90–100% |
| 低照度性能 | 中程度 | 素晴らしい |
| リフレクション&クロストーク | 高値 | 安値 |
| 画像の鮮明さ | 平均 | 薄暗い光でもシャープで明るい |
ピクセルの縮小と塗りつぶし係数
FSI CMOSセンサー
ピクセルサイズが1.4μmを下回ると、金属相互接続とトランジスタが占める表面積が大きくなります。塗りつぶし係数が減少するため、ピクセルあたりに取り込まれる光が少なくなり、画像ノイズが増加します。その結果、画像が暗くなり、コントラストが低下し、暗い場所でのパフォーマンスが低下します。
BSI CMOSセンサー
フォトダイオードは配線の上に配置され、光が直接当たることができます。この構成により、ほぼ 100% のフィル ファクターが達成され、ピクセル領域のほぼ全体が光に敏感になります。BSIセンサーは、画像フレーム全体で均一な輝度と高い信号対雑音比(SNR)を維持します。また、スマートフォンやドローンカメラなどのコンパクトなモジュールでも優れた低照度性能を実現します。
クロストーク、ノイズ、裏面拡散
| アスペクト | CMOS(FSI)センサーの潜在的な問題 | BSIセンサーの潜在的な問題 | エンジニアリングソリューション | 画質への影響 |
|---|---|---|---|---|
| 光クロストーク | 光はフォトダイオードに到達する前に金属配線によって散乱または遮断され、照明が不均一になります。 | 裏面露光により、隣接するピクセルに光が漏れます。 | ディープ トレンチ アイソレーション (DTI): ピクセル間に物理的なバリアを作成して、光干渉を防ぎます。 | より鮮明な画像、より優れた色分解、およびぼやけの軽減。 |
| 電荷再結合 | 電荷キャリアは厚いシリコンまたは金属層内で失われ、感度が低下します。 | 裏面組換え: キャリアは、収集前に露出した表面の近くで再結合します。 | パッシベーション層と表面処理: 欠陥を減らし、電荷の収集を改善します。 | 感度の向上と信号損失の低減。 |
| ブルーミング効果 | 1 つのピクセルで露出オーバーを行うと、前面拡散により隣接するピクセルが飽和します。 | 露出オーバーは、薄くなったシリコン層の下に電荷を広げます。 | 表面ドーピング&チャージバリア:電荷を封じ込め、オーバーフローを防ぎます。 | 白い縞模様が減り、ハイライトが滑らかになりました。 |
| 電気的および熱的ノイズ | ピクセル上のトランジスタからの熱は、信号経路にノイズを生成します。 | 薄いシリコンと高密度の回路によるショットノイズの増加。 | 低ノイズアンプとオンチップノイズリダクションアルゴリズム。 | よりクリーンな画像、低照度性能の向上。 |
| 充填率の制限 | 金属層とトランジスタは広いピクセル領域をカバーし、光感度を低下させます。 | ほとんど排除 - フォトダイオードは光に完全にさらされています。 | BSI構造とマイクロレンズの最適化 | 最大の光の捕捉と均一な明るさ。 |
BSIから積層型CMOSアーキテクチャへ
積層型CMOSセンサの構造
| レイヤー | 機能 | 説明 |
|---|---|---|
| 最上層 | ピクセルアレイ(BSI設計) | 入射光を捉える感光性フォトダイオードを配合し、BSI構造により感度を最大化します。 |
| 中間層 | アナログ/デジタル回路 | 信号変換、増幅、画像処理タスクをピクセルアレイとは別に処理し、よりクリーンな出力を実現します。 |
| 最下層 | メモリまたはプロセッサの統合 | 迅速なデータバッファリングとリアルタイムの画像補正のための組み込み DRAM または AI 処理コアが含まれる場合があります。 |
積層型CMOSセンサーの利点
• 超高速読み出し: ローリングシャッターの歪みを最小限に抑えながら、最大 4K または 8K 解像度の高速連続撮影と実際のビデオ キャプチャを可能にします。
• 強化されたオンチップ処理: HDR マージ、モーション補正、ノイズ リダクションを実行する論理回路をセンサーに直接統合します。
• エネルギー効率: より短いデータパスと独立した電源ドメインにより、消費電力を削減しながらスループットが向上します。
• 小型フォームファクター: 垂直スタッキングにより、スマートフォン、車載カメラ、ドローンに最適なコンパクトなモジュール設計が可能になります。
• AI および計算イメージングのサポート: 一部のスタック センサーには、インテリジェントなオートフォーカス、シーン認識、リアルタイム強化のための専用ニューラル プロセッサが含まれています。
CMOSセンサーとBSIセンサーのダイナミックレンジと色性能
BSI(裏面照射型)センサー
BSIセンサーは、フォトダイオードの上の金属配線を排除することで、光子が光に敏感な領域に直接到達できるようにします。この構造により、フルウェル容量が増加し、光の吸収が向上し、ハイライトのクリッピングが最小限に抑えられます。その結果、BSI センサーは優れた HDR パフォーマンス、優れた色深度、より細かい影のグラデーションを提供し、HDR 写真、医療画像、低照度監視に最適です。
FSI(前面照射型)センサー
対照的に、FSI センサーは、フォトダイオードに到達する前に、光が回路のいくつかの層を通過する必要があります。これにより、部分的な反射と散乱が発生し、ダイナミックレンジとトーンマッピング機能が制限されます。明るい条件では露出オーバーになりやすく、深い影では色の精度が低下することがよくあります。
CMOSセンサーとBSIセンサーの応用
CMOS(FSI)センサー
• マシンビジョン
- 工業検査
- 医療用内視鏡検査
• 監視カメラ
BSIセンサー
• スマートフォン
• デジタルカメラ
• 車載用 ADAS
-天文学と科学イメージング
•8Kビデオ録画
CMOSセンサーとBSIセンサーの今後の展開
• 3Dスタック設計は、ピクセル、ロジック、メモリ層を組み合わせて、超高速読み出しとAI駆動のイメージングを実現します。
• グローバルシャッターBSIセンサーは、ロボット工学、ドローン、自動車システムのモーション歪みを排除します。
- 有機CMOSセンサーと量子ドットセンサーは、より高い感度、より広いスペクトル応答、より豊かな色を提供します。
• オンセンサー AI 処理により、リアルタイムのノイズ リダクション、物体検出、適応型露出制御が可能になります。
• ハイブリッド イメージング プラットフォームは、CMOS と BSI の利点を融合し、ダイナミック レンジを改善し、電力使用量を削減します。
まとめ
CMOS および BSI センサーは最新のイメージングを再構築し、BSI はより高い光感度、より少ないノイズ、より優れた色精度を提供します。積層型 CMOS および AI 統合センサーの台頭により、速度、画像の鮮明さ、ダイナミック レンジがさらに向上します。これらのテクノロジーを組み合わせることで、写真、監視、科学画像処理がより高い精度と効率で進歩し続けています。
よくある質問
CMOSおよびBSIセンサーにはどのような材料が使用されていますか?
どちらもシリコンウェーハを使用しています。BSI センサーには、光吸収を向上させるために、薄いシリコン層、マイクロレンズ、金属相互接続も含まれています。
どのセンサータイプがより多くの電力を使用しますか?
BSIセンサーは、その複雑な設計と高速なデータ処理のためにより多くの電力を消費しますが、最新の設計は効率を向上させています。
BSIセンサーがCMOSよりも高価なのはなぜですか?
BSI センサーには、ウェーハの薄化や正確な層の位置合わせなどの追加の製造ステップが必要であり、製造コストが高くなります。
これらのセンサーは熱をどのように処理しますか?
高温は両方のセンサーのノイズを増加させます。BSIの設計には、画質を安定させるためのより優れた熱制御が含まれることがよくあります。
CMOSおよびBSIセンサーは赤外線を検出できますか?
はい。IR 感応コーティングまたはフィルターを取り外した場合、どちらも赤外線を検出でき、BSI はより優れた IR 感度を示します。
イメージセンサーのマイクロレンズの目的は何ですか?
マイクロレンズは、各ピクセルのフォトダイオードに光を直接導き、小型のBSIセンサーの明るさと効率を向上させます。
