索尼CMOS传感器技术演进：从背照式到双层晶体管架构解析

智能手机影像的飞速发展，离不开其核心部件——图像传感器的持续进化。作为该领域的领导者，索尼的CMOS图像传感器技术历经数次关键架构迭代，深刻影响了手机摄影的走向。本文将梳理从背照式、堆栈式到最新的双层晶体管像素技术，解析其背后的原理、优势与应用。

1. 背照式技术（Gen1架构）：提升感光效率的革命

在前照式CMOS图像传感器中，光线需要依次穿过微透镜、颜色过滤器，再经过金属布线层，最终才能到达光电二极管进行光电转换并积累光生电子。为了临时存储这些电子并防止电荷信号漏光，传感器中设计了“遮光罩”，而金属布线层恰恰位于遮光罩上方。这种设计充分利用了像素内的纵向空间，是前照式结构的优点。

然而，随着2005年后手机摄像头像素大战的开启，传感器总像素量激增。在传感器尺寸（俗称“底”）增长有限的情况下，单个像素尺寸被迫不断缩小，前照式结构的缺陷开始暴露。
首先是金属布线层在光照下会产生反射，导致本就因像素缩小而减少的进光量进一步损失。
其次是衍射问题。金属布线层覆盖区域的比例相对固定，随着像素尺寸缩小，光线穿过的通道变窄，衍射效应增强。这结合金属反射，会导致严重的相邻像素间光串扰，使图像色彩混杂。

根据衍射计算公式（下图所示），要改善单个区域的衍射问题，必须缩短微透镜到光电二极管的距离。

背照式技术的核心思路由此诞生：先在形成光电二极管的一侧制作所有电路部分，然后将晶圆翻转并键合到支撑基板上，接着将上方的硅层减薄，最后再覆盖彩色滤光片和微透镜。这样一来，光线无需再穿过金属布线层，从而在相同像素尺寸下大幅提高了量子效率和进光量。同时，转移到背面的金属布线层可以更自由地扩展电路规模，大幅提升传感器的读取速度，实现了更高速的连拍和更高清的视频录制。

2. 堆栈式技术（Gen2架构）：小型化与性能强化的基石

虽然豪威在2007年率先展示了背照式样品，但索尼却是首个将其大规模量产的公司，不过初期主要用于相机。手机领域首款采用背照式传感器的产品是2010年的苹果iPhone 4，使用的是豪威的传感器。然而，索尼的工程师并未止步，他们在发展CIS业务的同时，也在研发能降低制造成本的新工艺。经过两年开发，业界首款堆栈式传感器于2011年正式量产。

那么，堆栈式技术如何降低成本？答案就是小型化。将像素层和电路层分离到不同的硅片上，可以在一片晶圆上切割出更多的芯片，从而提高良率、减少边缘损耗。更重要的是，随着手机影像对处理性能需求的增长，电路层需要集成更多晶体管，这就要求更先进的制程工艺。但位于同一层的像素区域对制程并不敏感（其尺寸受光学衍射极限限制）。堆栈式工艺完美地解决了这一矛盾，让电路层可以自由地采用先进制程。

此外，获得“独立住宅”的电路层规模得以大幅扩张，从而能够配置性能更强、功耗更低的图像信号处理器及配套电路，实现硬件级HDR以及慢动作拍摄等功能。如果对小型化需求不高，那么从原电路层“腾出”的空间可以用来增加像素数量，在像素尺寸不变的前提下实现“高画质”。堆栈式技术带来了多功能、小型化或高画质等特性，并且由于像素层依然可以采用背照式技术，因此背照式的所有优点也被完整继承。

3. 进阶版堆栈式技术：互联与集成的持续突破

最初的堆栈式技术使用硅通孔技术将像素层与电路层连接，这需要在像素层四周设置独立的TSV连接层，小型化仍有提升空间。2015年，索尼业界首创了基于Cu-Cu连接的DBI混合键合技术，取代了TSV。

这项技术不仅连接距离更短、密度更高，从而能进一步提高传感器的读出速度，而且无需对每个芯片单元进行单独互联，生产效率也实现了飞跃式提升！

基于DBI混合键合的堆栈式技术即索尼的Gen3架构。2018年，索尼在Gen3基础上展示了像素直连技术，这便是Gen5架构。Gen5的实现得益于DBI技术带来的铜互联间距持续缩小，使得连接端子可以直接嵌入硅片中。这样，上层的任意一个像素都能与下层逻辑电路直接高速键合，彻底省去了周边的互联电路区域，实现了极致的传感器高速化和小型化。

实际上，在Gen5出现之前的2017年，索尼还业界首发了三层堆栈式技术，即Gen4架构，它在传感器中直接集成了容量高达1Gb的DRAM层。

有了这个大容量缓存的加持，处理电路可以实现更高速的数据读出，从而在拍摄高速运动物体时获得失真极小的静态图像，并支持1080P分辨率下1000fps的慢动作视频拍摄。Gen4架构仍基于TSV技术，而2019年推出的基于DBI混合键合的三层堆栈式技术，则被归为Gen6架构。

4. 双层晶体管像素技术：像素结构的纵向再进化

尽管上述进阶堆栈技术优点众多，但在手机端被广泛且持续采用的，主要是Gen3架构。例如，苹果从2017年的iPhone 8系列主摄开始引入该技术，并沿用至今。有趣的是，三星在S7/S8（Gen3）、S9/S10（Gen4）、S20/S21（Gen6）时代都与索尼有深度合作，这种合作关系在业界相当罕见。

即使在索尼于2021年底成功开发出双层晶体管像素技术后，尽管有国产和苹果手机零星采用，三星依然在其顶级旗舰S24 Ultra上坚持使用自家的HP2传感器。三星的底气在于其先进的半导体制造工艺，不仅大力发展ISOCELL技术，还在超高像素路线上走得最远，自成一派。

索尼在传感器领域的霸主地位依然稳固，其最新的双层晶体管技术正是基于堆栈式理念、指引未来的作品，只是目前受限于良率和成本，尚未大规模普及。

双层晶体管技术的原理，是对像素层进行的又一次“分层堆栈”。它将原本与光电二极管、传输晶体管位于同一层的复位、放大和选择三种像素晶体管单独分离出来，形成新的优化分层结构。

这样，光电二极管层获得了更充裕的空间，可以大幅提升光子容量，并同比例提升传输晶体管的效率和浮置扩散节点的满阱容量，简单说就是显著扩大了成像的明暗差范围，即动态范围。同时，分离后的像素晶体管层中，放大晶体管的尺寸得以做大，其读出的转换增益能得到更有效的放大，从而显著抑制暗光环境下产生的噪点。

以首发该技术的索尼IMX888（又名LYT-T808）为例，其像素四合一后的满阱容量高达40，000e！而一英寸底的IMX989，其像素四合一满阱容量为48，000e。这意味着，IMX888以仅为IMX989一半左右的像素尺寸，实现了后者约83%的满阱容量。结合显著提升的前端降噪能力，它在不增大传感器尺寸的基础上，进一步挖掘了纵向堆叠的潜力。

另外，从IMX888的截面图可以看出，其电路层连接仍基于Gen3架构的DBI混合键合技术，而连接光电二极管层和像素晶体管层则使用了TSV技术。

总结

从背照式解决进光瓶颈，到堆栈式实现小型化与性能解放，再到通过Cu-Cu连接、DRAM集成、像素直连等进阶技术不断突破速度与集成度上限，最后到双层晶体管像素技术对感光与读出结构的深度优化，索尼CMOS传感器技术的发展史，就是一部手机影像性能不断提升的微观编年史。每一项技术革新，都围绕着如何更高效地捕获光子、更快速地处理信号这一核心命题展开。对传感器底层技术逻辑的了解，能帮助我们更好地理解手机影像能力的边界与未来。如果你想深入讨论更多半导体或图像处理技术，欢迎来 云栈社区 交流分享。