ISSCC 2020 タイトルから予想するイメージャー関連発表①
いよいよ2日後に ISSCC 2020 が開催され、今年も多くのイメージャー発表件がありますが
今回はその中から
Samsung の 0.7μm 画素センサについて考察していきたいと思います。
A 1/2.65in 44Mpixel CMOS Image Sensor with 0.7µm Pixels Fabricated in Advanced Full-Depth Deep-Trench Isolation Technology
（個人的には、パナソニックの直接型と間接型をミックスしたToFの方が気になっております。ガイガーモードで動作させた場合、電荷の振り分けは困難に思えるので、非ガイガーモードで電荷振り分けしてるのか？とか、間接型も同一画素にミックスするとなると構造も駆動も複雑になると思うので、そこまでして間接型と取り入れるメリットは何なのか？とか、疑問点はたくさんありますがまずは予想しやすいものから見ていこうと思います）
ということで、 IISW 2019 のページにも関連論文が多く掲載されており比較的理解しやすそうな Samsung の 0.7μm センサについてですが、
今回 Samsung は私の知る限り世界最小の 0.7μm（PDAF用画素を除く）という画素ピッチを実現していますが、正直、微細化そのものに対する課題はそんなに多くないのではないかと思っております。これまでのPDAF関連の発表でも示されているようにもっと微細な画素でもきっちり素子分離してフォトダイオードを形成出来ていることから画素を小さく作ること自体についてはそこまで課題があるようには感じません。
それよりも微細化によるトレードオフをどのように改善するかがポイントになる気がします。
画素微細化によって生じる課題としては、
① 感度の低下
② クロストークの増大
③ 飽和電子数の減少
あたりでしょうか。
もっと細かく見ると、微細化のために必要な技術により生じるデメリット（例えば、DTIによる暗電流増加とか）の改善も必要になるのでしょうけど…。
① 感度の低下については、画素が小さくなるほど受光面積が小さくなるため感度が低下してしまうということなのですが、 この課題の解決策の一つが Sonyのホームページで紹介されています。
ここで紹介されている技術の中に
「Quad Bayer配列」というのがあります。Samsung では「Tetra Cell」と呼んでいますが、これは2×2の同色画素をビニングし1色あたりの受光面積を大きくすることで感度を向上させ、明るい時には2×2画素を4画素分として後処理することで高精細な画像も取得できるというカラーフィルタ配列（あるいは画像処理技術）です。
低照度時
高照度時
また Quad Bayer配列は感度向上に寄与するだけではなく2x2 On-Chip Lens と組み合わせることにより、従来の横方向の位相差検出だけではなく縦方向の位相差検出も可能にし、PDAF可能な撮像対象の幅を広げます。（これは、現時点ではおそらく Sony だけの技術のように思えます）
Tetra Cellに加えて Samsung ではカラーフィルタ間の分離をメタルによる分離ではなく、低屈折率材料による分離を行っており、これによりメタルに光が当たった時の光の吸収を低減し感度の向上を図ったりもしています。（ISOCELL PLUS と呼んでいるのがおそらくこれに相当する技術だと思います）
Samsung では上記の Tetra Cell と 低屈折材料による分離によって、微細化による感度の低下を改善しているようです。
② クロストークの増大に関して Samsung では、Full-Depth DTI により改善しています。DTI を採用している他の企業（Sony など）では光電変換部の Si の途中までしかDTIを形成しておらず、光学的に画素を完全に分離出来ていません。微細画素センサではクロストークの影響が大きくなり、特に長波長の光ではその影響が大きくなるので画素を完全に分離する Full-Depth DTI によりクロストークを大幅に改善しているようです。ただ、Full-Depth にすることでトランジスタの配置が制限されてしまうというデメリットもあります。
③ 飽和電子数の減少については、画素の深い領域にまでフォトダイオードを形成することで、画素面積の減少による飽和電子数の減少を抑えており、加えて Samsung では深い領域からも転送できるように VTG を採用していたり飽和向上のために複数の新しい構造（といっても2014年にはF-DTIとVTGを採用したセンサがSamsungからされていますが）を取り入れています。また、VTGには Full-Depth DTI にした際にもトランジスタを自由に配置しやすくなるというメリットもあります。
ただこれも Full-Depth DTI同様に高いプロセス技術が求められ、Samsung の半導体製造技術の高さが垣間見えます。
今回の ISSCC の発表でも上記の3技術はおそらく取り入れられていると思います。
また、Samsung では3×3のカラーフィルタ配列センサに関するニュースもあったりして、モバイル向けイメージセンサに対する本気度がうかがえます。
Image Sensors World: Samsung Unveils 108M Sensor with Nonacell CFA
今回紹介した微細画素センサは、おそらくモバイル向けの小型のセンサで高解像度の画像を撮るのを目的にしていると思うのですが、画素の微細化に伴ってセンサの多画素化が進み、高解像度化だけでなくライトフィールドカメラのように複数の画素で新たな情報を取得する方向にも進化していくと思うので、ただ高解像度化させるだけではなく多画素化に伴うセンサの多機能化などにも期待したいと個人的には思っています。
