Sony ontwikkelt cmos-sensor met lichtgevoeliger structuur

Sony heeft een prototype van een nieuwe cmos-beeldsensor ontwikkeld die lichtgevoeliger is en minder ruis produceert. Bij de nieuwe sensor is de lichtgevoelige laag vóór die met de metalen bedrading geplaatst.

Sony is er met een back-illuminated-structuur in geslaagd om ruis, dode pixels en het ongewild mengen van kleuren te verminderen. Volgens Sony is de cmos-beeldsensor, die een pixelgrootte van 1,75 micrometer heeft, door de nieuwe opbouw twee keer zo gevoelig als conventionele cmos-sensors met dezelfde pixelgrootte. Ook het ruisniveau van de nieuwe 5-megapixelsensor pakt lager uit. De sensor is bedoeld voor gebruik in digitale video- en compactcamera's, maar de technologie zou in de toekomst ook ingezet kunnen worden voor Sony's digitale spiegelreflexcamera's.

Bij de tot dusverre gebruikte cmos-technologie, die wel front-illuminated wordt genoemd, moet invallend licht na het passeren van de microlens en het kleurenfilter, eerst nog een laag met elektronica passeren voor het bij de fotodiode aankomt. Daarbij wordt echter een aanzienlijk deel van het licht weerkaatst. Bij de nieuwe back-illuminated-cmos-sensor van Sony zijn de twee lagen omgedraaid waardoor de fotodiodes dichter aan de oppervlakte liggen.

De technologie lijkt als twee druppels op die van Omnivision. Dat bedrijf heeft de back-illumination echter gebruikt om meer megapixels op hetzelfde oppervlak te plaatsen, waardoor de pixelgrootte van 1,75 micrometer naar 1,4 micrometer kon worden teruggebracht zonder de lichtgevoeligheid te verminderen. De 8-megapixelchip van Omnivision zal zijn weg voornamelijk naar mobieltjes weten te vinden.

Reacties (25)

Waarom zou je - zoals in het oude ontwerp - de metal wiring uberhaupt voor de photodiode plaatsen? Dat is toch niet echt logisch?

edit: achter-->voor,

[Reactie gewijzigd door Rekcor op 12 juni 2008 14:18]

Omdat het tot nu toe niet mogelijk was. De huidige silicium processen hebben de metalen bedrading als toplaag, met daaronder de transistoren ( in dit geval de foto diodes). De bedrading aan de onderkant is natuurlijk beter, maar ook behoorlijk moeilijk te fabriceren.

Het substraat (silicium of silicium-germanium), waarin transistoren (en photo diodes) worden gecreeerd, wordt gefabriceerd middels opdampen. Dat is condensatie van silicium in gasvorm op de wafer. Belangrijk is dat tijdens condensatie het nieuw gevormde silicium kristal, de structuur van de laag daaronder voortzet. Op die manier wordt een vrijwel perfect kristal verkregen. Defecten in het kristal veroorzaken lekstroom en daarmee verliezen en ruis.

Probleem is dat je niet zomaar substraat bovenop bedrading kan opdampen. De bedrading (Metal wiring in het plaatje hierboven) wordt geisoleerd door silicium oxide (licht grijs gekleurd). Silicium oxide is een zoort glas en transparant. Probleem is dat silicium oxide een andere kristal structuur heeft, dat niet past by het kristal van silicium zelf (substraat). Daarom wordt tot op heden geen substraat op bedrading gegroeid.
Blijkbaar heeft Sony een methode gevonden waarmee dat wel kan. Het geheim zal dat dunnen lichte streepje in het rechter plaatje wel zijn, die de overgang van silicium oxide (licht grijs) naar silicium (roze) mogelijk maakt.

Misschien omdat het vroeger niet mogelijk was om de siliciumlaag mooi over de wiring te leggen? Er zijn blijkbaar grote stappen vooruit gemaakt op het vlak van lithografie. Vroeger werden de lenzen gebruilkt om het licht zo te leiden, zodat het zo weinig mogelijk zou botsen op het metaal.
Blijkbaar hebben deze lenzen nog andere positieve eigenschappen, aangezien ze nog steeds in het nieuwe model staan.

[Reactie gewijzigd door vanThijs op 12 juni 2008 11:25]

het bundelen van licht zodat er meer licht in de fotodiode valt ipv dat een deel van het ongebruikte licht wegkaatst op het oppervlak.

Omdat vroegah het substraat veel dikker was, tot in de orde van een mm.
In deze laag konden parasitaire transistoren gevormd worden, die de werking van een chip bij steeds lagere spanningen en kleinere transistoren konden verstoren.
Daarom is deze in moderne chipontwerpen drastisch teruggebracht dmv "silicium on insulator" of SoI technieken.

Dit maakt het voor deze sensoren dus mogelijk om het licht vanaf de 'onderkant' van de chip te vangen.

Het grappige is dat, hoe onhandig ook, dit ook in het menselijk oog het geval is De bedrading zit vóór de staafjes en kegeltjes die het beeld doorsturen. Dit zijn ook de celletjes die je wel eens ziet als je je ogen heel nauw samenknijpt.
Het lijkt onhandig om de bedrading vóór de fotoreceptoren te plaatsen, maar in het menselijk ook is dit nodig voor de toevoer van voedingsstoffen en afvoer van informatie. Wellicht hebben ze bij het ontwerp van CMOS chipjes naar het menselijk oog gekeken, en zijn ze er nu achter dat het (wellicht pas recentelijk) ook op deze manier kan.

http://webvision.med.utah.edu/imageswv/Sagschem.jpeg

Je bedoelt zeker: "Waarom zou je - zoals in het oude ontwerp - de metal wiring uberhaupt voor de photodiode plaatsen?".

Wel een goede vraag overigens.

[Reactie gewijzigd door Timfonie op 12 juni 2008 11:36]

Dit klinkt mij als marketing praat, want volgens mij is dit van Omnivision: nieuws: Omnivision draait camerasensor om voor betere lichtopbrengst

Het wiel is ook op 5 plekken tegelijk uitgevonden. Misschien zijn twee groepen zijn 3 jaar geleden, op basis van de (publiek beschikbare) techniek van toen, begonnen met ontwikkelen van een betere sensor. Ze zijn allebei ongeveer even slim, en vinden deze techniek dus tegelijk uit...

De atoombom is ook door twee onafhankelijke teams, op basis van totaal verschillende techniek, ontwikkeld, en ze waren bijna tegelijk klaar. Dit soort dingen gebeurt dus wel vaker

Ik wilde net zeggen. Lijkt verdacht veel op die camerasensor van een paar weken terug. Beetje de boel afkijken die rakkers bij Sony...

Inderdaad Sony ontwikkeld een compleet nieuw concept in een paar weken ...
Misschien dat hier een stel hooggeleerden aan dit project gewerkt jarenlang hebben gewerkt eer ze zover waren om een prototype te maken? Ik weet niet hoe dit precies functioneerd enkel basaal kan ik opmaken hoe dit werkt maar iets zegt mij dat iets wat in de eerste instantie eenvoudig lijkt toch vaak veel complexer is dan dat ons oog rijkt. Jammer genoeg dat we vervolgens nog jaren moeten wachten eer het op de markt komt.

Zou het idee afgekeken zijn van Omnivision? Of is er één of andere doorbraak geweest in wafersteppers/silicium waardoor de productie van BSI sensors nu opeens mogelijk is? Als dat laatste het geval is zullen meer producenten waarschijnlijk wel met een soortgelijke oplossing komen.

waardoor de pixelgrootte van 1,75 micrometer naar 1,4 micrometer kon worden teruggebracht zonder de lichtgevoeligheid te verminderen

In het gelinkte artikel en andere bronnen staat dat de lichtgevoeligheid hoger is ondanks de kleinere pixels...

[Reactie gewijzigd door knirfie244 op 12 juni 2008 11:25]

Dat is echt niet afgekeken. Daarvoor is het veel te snel.
Vaak worden ontwikkelingen op meerdere plekken min-of-meer tegelijk gedaan, in dit geval waarschijnlijk door een nieuwe productiemethode.

Ideeen over BSI bestaan al meer dan 10 jaar. Alleen nu is de technologie zover en de noodzaak is er ook, door de steeds kleinere pixelafmetingen (vooral gedreven door mobiele telefonie camera's). Voor grotere pixels maakt het niet zoveel verschil. Onder de 4 micrometer pixel afmeting krijgt de "stack hoogte" (= 3 a 4 metaal lagen + toplaag + kleurfilter) een steeds grotere invloed op de gevoeligheid van de pixel. Het worden als het ware steeds smallere kokertjes, ofwel de hoogte breedte verhouding wordt steeds groter.

goeie ontwikkeling, eindelijk minder megapixels maar lichtgevoeligere sensoren, momenteel is er geen geen enkele compact die iets waard is vanaf ISO400 imo...

Goede ontwikkeling nu maar hopen dat ze dit ook op korte termein in DSLR's gaan toepassen. Zodat ze wat meer voet aan wal krijgen. Gezien Nikon hier ook van kan profiteren. En Canon wat meer hete adem in de nek gaat voelen. Zodat ze inovatief blijven. En niet steeds staan te wachten wat de concurentie doet.

[Reactie gewijzigd door vavoem op 12 juni 2008 11:27]

Waarom kan Nikon hiervan profiteren en Canon niet?

Omdat Nikon sensoren van Sony gebruikt en Canon niet.

Canon gebruikt al veel langer CMOS sensoren dan de overige fabrikanten. Die hebben al die tijd CCD sensoren gebruikt.
Als Canon de technologie gebruikt van Omnivision (daar een licentie op neemt) dan kunnen ze hetzelfde doen. Canon is niet zo afwachtend als jij hier doet voorkomen.

Ík had dit al een tijd geleden in het fotografie forumgedeelte gepost:

http://www.techradar.com/...loves-low-lighting-323895


Silicon-based sensors pale beside new, sensitive breakthrough
April 21st |
the CIGS sensor produces images in what appears like total darkness to a CMOS device

If, like most users of compact digital cameras, you're sick of their shabby performance in anything other than bright sunlight, then please stand and applaud a new kind of sensor that will make low-light woes a thing of the past.

Fed up with old CCD and CMOS sensors, Japan's Rohm and National Institute of Advanced Industrial Science and Technology got together to build a better image sensor. The result is 100 times more sensitive than what has gone before.

Low-lux performance

As the illustration shows, the CIGS sensor produces images in what appears like total darkness to a CMOS device. The combination of Copper, Indium, Gallium and Selenium remains functional as low as 0.001 lux. By way of comparison, moonlight is rated at around 1 lux.

The next steps for the two organisations are to miniaturise the sensor and to stabilise production standards to prepare for commercialisation.

[Reactie gewijzigd door n00bs op 12 juni 2008 11:47]

Bij CMOS zitten bij elke indivuele pixel transistoren, veel photonen raken nu die transistoren, inplaats van de photodiode.
De CMOS chips zijn niet speciaal voor beeldsensoren ontwikkeld, ze worden algemeen toegepast als ic, omdat ze weinig stroom gebruiken. Voor beeldsensoren blijkt het nu te kunnen deze transistoren laag te kunnen verplaatsen, zodat de photodiode meer photonen raken.

Ook andere fabricanten van CMOS beeldsensoren werken aan deze techniek, en zullen hun eigen techniek verdedigen, en in patenten beschermen. Er zullen wel kleine verschillen bestaan op patent niveau, maar komt allemaal op het zelfde neer.

[Reactie gewijzigd door lucasrem op 12 juni 2008 15:19]

Het is makkelijk iets af te kraken als zijnde flater in design maar als je iets beter leest, ook in het artikel over Omnivision wat bovenaan gelinkt staat, zal je zien dat het geen flater was maar gewoon een kwestie van nog niet de juiste techniek om het op deze manier te doen.
Dan moet je dus wat en dat is de nu gebruikte techniek!