Der Sony Semiconductor Solutions Corporation („Sony“) ist es gelungen, den Dynamikumfang und das Rauschverhalten von CMOS-Sensoren durch eine neue Technologie zu verbessern, die den Signalsättigungswert in etwa verdoppelt. Als Basis dient ein Stacked CMOS-Bildsensor, der mit einer neuen Pixel-Architektur optimiert wurde. Sony sieht damit vor allem Verbesserungsmöglichkeiten bei der Bildqualität im Smartphonebereich.
Im Gegensatz zu herkömmlichen CMOS-Sensoren mit einer Stacked-Bauweise sitzen die Fotodioden und die Pixeltransistoren auf dem neu entwickelten Bildwandler nicht mehr nebeneinander auf demselben Substrat, sondern werden übereinander auf separaten Substraten angeordnet. Die neue Stacking-Technologie ermöglicht die Einführung von Architekturen, bei denen die Fotodioden- und Pixeltransistorschichten jeweils optimiert werden können. So wird der Signalsättigungswert im Vergleich zu herkömmlichen Bildsensoren in etwa verdoppelt, der Dynamikbereich erweitert und das Rauschen reduziert, was die Abbildungseigenschaften verbessert. Die Pixelstruktur der neuen Technologie ermöglicht es, die bestehenden Eigenschaften der Pixel nicht nur bei den derzeitigen, sondern auch bei kleineren Pixelgrößen beizubehalten oder zu verbessern.
Der rauscharme CMOS-Bildsensor hat einen gestapelten Aufbau, der aus einem Pixelchip mit rückseitig beleuchteten Pixeln und einem darunter liegenden Logikchip mit den Signalverarbeitungsschaltungen besteht. Im Pixelchip sind Fotodioden zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale sowie nebeneinander auf derselben Ebene angeordnete Pixeltransistoren zur Steuerung der Signale. Die Erhöhung des Signalsättigungswerts innerhalb der Beschränkungen des Formfaktors ist ein wesentlicher Faktor für eine hohe Bildqualität mit großem Dynamikbereich.
Weiterer Vorteil: Da die Pixeltransistoren (außer den Transfergattern) (TRG) – Rückstelltransistoren (RST), Auswahltransistoren (SEL) und Verstärkertransistoren (AMP) – eine fotodiodenfreie Schicht belegen, können die Verstärkertransistoren vergrößert werden. Durch diese Vergrößerung der Verstärkertransistoren ist es, laut Sony, gelungen, das Rauschen, das vor allem bei Nachtaufnahmen und Aufnahmen in dunklen Umgebungen häufig ein Problem darstellt, erheblich zu reduzieren.
Der erweiterte Dynamikbereich und die Rauschunterdrückung sollen Unter- und Überbelichtungen in schwierigen Lichtsituationen, wie zum Beispiel bei Gegenlicht, verhindern und rauscharme Bilder auch bei schwachem Licht ermöglichen.
