索尼CTO：CMOS图像传感器三大未来方向

索尼半导体解决方案公司（SSS）是全球市场份额领先的图像传感器制造商，目前正处于一个重要的转折点。市场结构和竞争环境正在发生剧烈变化，包括智能手机市场的成熟（智能手机市场曾是其增长的主要驱动力），以及未来不确定性的增加。

索尼始终走在市场前沿，在CCD盛行时期就果断转向CMOS图像传感器，并陆续将背照式、堆叠式传感器等高度复杂的技术商业化。可以说，这些技术创新构成了公司核心竞争力的基石。此次，我们采访了公司首席技术官（CTO）大池祐辅，探讨了公司迄今为止的技术创新背景以及未来的技术发展方向。

索尼半导体解决方案公司首席技术官（CTO）大池祐辅

回顾索尼的技术发展历程，从CCD到CMOS的转变是一个重要的转折点。这一转变背后有哪些市场环境变化和技术挑战？

大池先生：CCD技术的鼎盛时期大约在2007年，但背照式CMOS图像传感器的研发早在2000年代初就已经开始。当时，CCD在半导体图像传感器市场占据主导地位，但市场正朝着高清方向发展，对高分辨率视频拍摄的需求也逐渐出现。这就是当时的市场环境和市场需求。

虽然CCD器件凭借其独特的结构，通过缩小像素尺寸显著提高了灵敏度，但它并不适合在降低功耗的同时提高帧速率。当时，CCD的像素水平约为100万像素，但采用“桶式传输”方式（即同时驱动所有100万个像素并逐个读取）难以满足日益增长的视频需求。这正是推动CCD技术发展的最初动力。

CMOS图像传感器是一种有可能解决这个问题的技术。然而，当时的挑战在于，如何在缩小尺寸和增加像素数量的同时，还能保持高图像质量。这是因为晶体管和线路数量的增加限制了单个像素内可接收光线的区域。克服这些缺点是最大的挑战。

因此，背照式图像传感器成为从CCD 图像传感器向 CMOS 图像传感器转变的决定性因素。

你对改用CMOS技术的决定有多大信心？

大池先生：虽然我无法完全代表当时决策者的信念，但我相信他们确信这是绝对必要的。他们确信CCD最终会达到极限，因此，如果没有技术创新，它们将走向死胡同。

另一方面，公司内部也存在不同意见，一些人怀疑背光技术是否真的能够大规模实际应用。事实上，最初原型机的图像远称不上美观。最终将其投入量产的过程，是经过反复的技术试验和失败才得以实现的，而这一切都源于公司坚信这项技术“绝对必要”。

CMOS图像传感器最初应用于摄像机，是因为它们能够实现高帧率视频录制。随后，背照式技术的进步提高了感光度并增加了像素数量。此外，即使使用更小的像素也能在低光照条件下拍摄高质量照片的技术的出现，促使CMOS图像传感器被应用于小型数码相机。

此后，发展趋势彻底从CCD转向CMOS，2004年，管理层决定全面转向CMOS。技术研发的重点也发生了显著变化；CCD技术的研发就此结束，工程师和研发资源全部转移到CMOS领域。

后来，出现了堆叠式传感器。这背后有什么背景信息？

大池先生：开发堆叠式传感器的主要动机有两个。一是CMOS图像传感器的出现，这意味着光电二极管和模数转换电路现在集成在单个芯片上。当尝试使用单一工艺在单个晶圆上制造两者时，优化不可避免地会偏向其中之一。因此，他提出了在不同的晶圆上分别制造针对光电二极管优化的半导体和针对模数转换电路优化的半导体，然后将它们键合在一起的概念。

这一决定也受到当时半导体投资策略的影响。2008年，在游戏用LSI芯片开发完成后，长崎工厂的部分生产设备被转移至东芝，并以合资企业的形式进行生产。鉴于此，投资方向的选择问题便摆在了眼前。最终，他们决定专注于自身优势领域——光电二极管，而将快速发展的尖端逻辑电路外包给其他公司，并通过融合这些技术持续发展。

另一个动机是为了满足不断增长的智能手机市场的需求。在这个市场中，对相机性能的需求迅速增长，同时又需要小巧的机身。堆叠式结构完美契合了这些需求，因为它既能实现高性能，又能最大限度地缩小体积。因此，这项技术极大地满足了智能手机的需求，市场需求与技术进步完美契合。

您认为未来发展需要哪些技术？您认为未来技术发展的方向是什么？

大池先生：科技的未来发展不一定会遵循单一路径，但主要有三个方向。第一点关键在于不断追求高图像质量。即使在今天，尤其是在智能手机等受体积限制的设备上，也并非总能在任何条件下自由拍摄出理想的照片。持续改进低光渲染、抑制过曝以及捕捉运动物体等技术是重要的发展方向。这是所有进步的基础，也是未来需要不断提升的领域。

第二点是如何获取除彩色图像之外的信息。例如，安装在汽车上的测距传感器、能够捕捉可见光以外波长的传感器，以及仅捕捉物体运动信息的传感器。我们将继续提升获取这些额外信息的能力。

第三点是如何将这种“观看”和“感知”信息结合起来。我们将探索将其与彩色图像传感器结合所能创造的新价值。

在2025年6月的业务简报会上，您提到“更高密度”是移动图像传感器增长的驱动因素。能否请您详细解释一下您的目标？

关于横向工艺的应用效果，即22nm 和 28nm 工艺，它基本上是一项提升构成图像质量的几乎所有要素（分辨率、灵敏度、动态范围、帧速率和功耗）基础的技术。

最容易想到的好处是能够缩小像素尺寸，从而提高像素数量。但除此之外，即使像素尺寸相同，缩小工艺节点也能降低寄生电容等因素。降低寄生电容可以提高单个电子转换为电压时的电压变化。这可以提高信噪比，使暗部区域看起来更清晰。

另一项应用是，它允许在相同的像素尺寸内放置更多晶体管。增加每个像素的晶体管数量，就可以加入多级增益切换机制，从而拓宽动态范围。

更详细地说，这也有助于降低功耗。高密度排列晶体管的能力使得实现方案能够提高从光电二极管中提取电子的效率。当将光电二极管中积累的电子传输到读出节点时，更高的传输效率意味着可以在更低的电压下实现相同的性能。换句话说，功耗可以降低。

因此，根据需求，可以通过缩小像素尺寸来提高分辨率，或者在保持像素尺寸不变的情况下增加晶体管数量来拓宽动态范围。工艺节点的演进是一项基础性技术，它提升了器件的整体基本特性。

逻辑芯片方面的情况也类似。例如，从22nm工艺升级到12nm工艺，可以通过降低电压和提高数字电路的集成密度来降低功耗。难点在于，在推进数字电路工艺的同时，传感器的整体模拟读出性能也必须不断提升。这需要更先进的模拟技术，而这正是我们的专长所在，我们正朝着这个方向推进。

关于提高水平方向密度，目前的发展进展如何？

大池先生：研发工作进展顺利。正专注于如何定制和引进尖端工艺技术以提升图像质量，以及如何根据用途将其与成熟工艺相结合，从而提高效率。

那么垂直高密度和多层技术呢？

大池先生：已经向市场推出了几款产品，但多层工艺有多种不同的变化。从“提升整体图像质量”的角度来看，采用了一种两级像素结构，将光电二极管层和像素晶体管层分离并堆叠。这项技术最大限度地提高了光电二极管的性能，同时又能将晶体管制造得尺寸足够大且坚固耐用。因此，它有助于提高动态范围和低光照条件下的信噪比。

虽然这种双层像素已经可以量产，但难点在于如何在类似三层楼的复杂结构中制造均匀的薄膜，以及如何精确对准上下两层。随着技术的不断完善，这项技术能够在保证图像质量的前提下，最大限度地减少制造步骤，从而制造出这种像素。

这种三层结构可以实现多种组合。未来，我们正在探索多层结构的可能性，例如使用两个光电二极管同时捕获可见光和不可见光（如红外线），并正在进行相关研发工作。

我们的技术研发并不局限于特定应用领域。我们拥有众多业务类别，目标是尽可能拓展到更多领域。在此过程中，我们会考虑首先在哪些领域引入这项技术，使其得以成熟。

通过“垂直和水平方向更高密度”实现性能提升的示例

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