索尼稱霸CIS市場背後的故事
來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自東洋經濟，謝謝。
近年來，人們對半導體行業的關注程度越來越高，其中，圖像傳感器（Image Sensor）作爲一項重要的战略物資，其存在感也愈發顯著。圖像傳感器作爲一種半導產品，其作用就相當於人類眼睛的“視網膜”。圖像傳感器將從攝像頭鏡片射入的光轉爲電氣信號，產生“圖片”。其用途十分廣泛，如數碼攝像機、智能手機、當下火熱的“傳感（Sensing）”領域。在如今全球的圖像傳感器行業，索尼半導體解決方案株式會社（以下簡稱爲：“索尼”）的CCD和CMOS圖像傳感器業務佔全球TOP1的市佔率。索尼爲什么能保持TOP1的市場地位呢？爲了理解索尼的發展歷史，本文筆者將帶諸位了解索尼圖像傳感器的研發歷史、企業文化。
“電子眼”推進攝影文化的進步
索尼在20世紀70年代开始研發圖像傳感器。當時，業界還沒有CCD（Charge-coupled Device）的存在，於是索尼开始思考：“能否研發出一種半導體，可以將從鏡頭射入的光轉換爲電氣信號，並用該信號制作出圖像。”
“如果可以以較低的成本制作出CCD圖像傳感器，攝像機的價格也會相應地降低。如此一來，攝像機會普及至普通家庭，攝影、攝像會成爲普通人的樂趣，成爲人們生活的一部分。爲了實現上述目標，索尼的研發、生產人員不斷挑战了諸多問題。索尼獲得的第一項成果是在20世紀80年代，將CCD圖形傳感器“ICX008”商品化。搭載了該傳感器的照相機曾拍攝了全日空巨型飛機的起飛、着陸情況，並放映給機艙內乘客。
後來，索尼又克服了諸多生產、性能方面的問題，終於在1985年發布了首款搭載CCD圖像傳感器的家用攝像機“CCD-V8（注2）”。1989年，索尼發售8毫米攝像機一一“CCD-TR55”，並大獲成功、風靡一時，該機型極其輕巧，重量僅爲790克，是名副其實的“Handycam（掌中寶）”。此次成功成爲了索尼圖像傳感器業務獲得飛躍的契機。
搭載25萬像素CCD的“CCD-V8”（左圖），全球尺寸最小、質量最輕（注3）的“CCD-TR55”（右圖）。
索尼堅持調整的“基因”：培養人才、創造未來
對於索尼爲何能在CMOS上取得如此地位，索尼執行董事CFO 高野康浩先生做出了以下評論。
索尼內部有很多富於創新精神的成員（包括最初的創業人員），集團內部的文化是對創新人員予以獎勵，高野先生在20多歲時曾被任命爲規模達100億日元的合資項目（Joint Venture）的負責人。在年輕的時候，被委以重任，即使失敗，也能從中學到很多知識，獲得成長。上述是索尼文化的表現之一。
索尼自成立之初就打造了一種“尊重每位員工，爲每位員工提供成長、挑战的機會和場所”的企業文化。這種企業文化支撐着索尼在新領域一一半導體領域中迎接挑战、獲得成功。其中一項成果即是索尼在2009年全球首例發布、量產的“背照式CMOS圖像傳感器”。
CMOS是一種攝像圖像傳感器，其結構與CCD大相徑庭，且傳輸速度也遠遠高於CCD。另外，由於CMOS具有低電壓、低功耗，因此，非常適用於視頻、高精圖像。另一方面，CMOS圖像傳感器易發生噪音，畫質方面也有致命缺點。
索尼已經在CCD市場上構建了“堅不可摧”的市場地位，索尼想要打造的是一種非CMOS不可的攝影文化，以及一直引領業界、持續利用尖端技術感動客戶，因此決定研發CMOS傳感器。
經過多次試行錯誤，在2009年，發售了高清晰數字型（Digital High Vision）“Handycam（掌中寶）”，該攝像機搭載噪音小、清晰度高的“背照式CMOS圖像傳感器”。發布後，索尼又設立了新目標一一研發可用於手機的圖像傳感器。
研發時的樣品比較圖像。傳統的表面照射型（左圖）、當時新研發的背面照射型（右圖）。
堆疊型CMOS圖像傳感器成爲了“博弈改變者”
在索尼的挑战歷程中，即使在前途不明的事業環境下，也持續堅持創造新技術。歷時3年9個月的研發時間，索尼於2012年成功研發“堆疊式CMOS圖像傳感器”。如今，該類傳感器不僅被應用於智能手機，還被廣泛應用於我們生活中的諸多場景。
與數碼相機、數碼攝像機相比，手機要求的圖像傳感器尺寸更小、性能更高、價格更低。高野先生指出，真正开啓智能手機應用先河的是索尼的一名資深工程師。
索尼的雙層堆疊式CMOS圖像傳感器的印象圖。
圖像傳感器主要有兩部分構成，第一“圖像部分”即將從外部進入的光轉換爲電氣信號；第二爲處理信號的“线路部分”，在當時的技術水平之下，索尼將兩部分安裝爲同一基板上。後來，索尼提出了“將圖像、线路分开的雙層結構”的構思。這種構思在當時是無法想象的、極具獨創性。該構思引領了未來圖像傳感器的飛躍式發展、拓展了圖像傳感器的用途範圍。
索尼“疊層式CMOS圖像傳感器”的構造略圖。
2021年，索尼全球首發雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感器技術，將飽和信號量約提升至原來的2倍，使動態範圍擴大並降低噪點。索尼表示，在傳統的堆疊式CMOS圖像傳感器的堆疊式結構中，背照式像素組成的像素芯片堆疊在邏輯芯片之上，而信號處理電路構成了邏輯芯片。在像素芯片內，用於將光轉換爲電信號的光電二極管和用於控制信號的像素晶體管在同一基片層並列。在這樣的結構限制下，如何實現飽和信號量的最大化，對實現高動態範圍、高圖像質量的攝影具有重要作用。
索尼开發出的全新結構是堆疊式CMOS圖像傳感器技術的一項進步。索尼使用專有的堆疊技術，將光電二極管和像素晶體管封裝在分離的基片上，一個堆疊在另一個上面。
相比之下，在傳統的堆疊式CMOS圖像傳感器中，光電二極管和像素晶體管並排位於同一基片上。新的堆疊技術支持採用可以獨立優化光電二極管和像素晶體管層的架構，從而使飽和信號量相比於傳統圖像傳感器增加約一倍，進而擴大動態範圍。
此外，因爲傳輸門 (TRG) 以外的像素晶體管，包括復位晶體管 (RST)、選擇晶體管 (SEL) 和放大晶體管 (AMP)，都處於無光電二極管分布這一層，所以放大晶體管（AMP）的尺寸可以增加。通過增加放大晶體管尺寸，索尼成功地大幅降低了夜間和其他昏暗場景下圖像容易產生的噪點問題。
這項新技術使動態範圍擴大並降低了噪點，將避免在有明暗差（例如背光設置）的場景下曝光不足和過度曝光的問題，即使在光线不充足（例如室內、夜間）的場景下也能拍攝高質量低噪點的圖像。
索尼將通過雙層晶體管像素技術致力於實現更高質量的成像，例如智能手機拍攝等。
上述構思獲得了極大的成功！如今，上述構思應用於智能手機方向圖像傳感器後，爲索尼帶來了50%以上的銷售額。在智能手機市場呈現高增長趨勢之時，索尼利用“雙層堆疊式結構”技術，研發了一項可搭載小型、高性能芯片的“高性價比”技術。該技術爲提高智能手機的攝像功能做出了極大的貢獻，受到了諸多智能手機廠家的關注。如今，該業務是索尼集團內的一項前景性業務，發展喜人。
由傳感技術开拓的“傳感社會（Sensing Society）”
不知道讀者們是否聽過“寒武紀大爆發（Cambrian Explosion）”。距今約5億4000萬年前發生了“寒武紀大爆發”，並因此誕生了諸多物種，很多生物進化出了眼睛。索尼的圖像傳感器作爲“電子眼”是基於諸多工程師的構思和不斷的努力發展至今的。如今，圖像傳感器不僅可以留下精美的圖案，還可以捕捉人眼看不見的信息，並獲得了長足的發展，就如同寒武紀時代的物種大爆發一樣，索尼的圖像傳感器改變着諸多社會領域。
那么，索尼的圖像傳感器究竟可以有效利用於那些領域呢？舉例而言，圖像傳感器已經成爲了諸多領域的重要元素，如無人駕駛領域、制造業中的工廠自動化（Factory Automation）、零售店的數字化轉型（Digital Transformation，簡稱爲：“DX”）、以獲取數據爲目的的傳感領域等領域。
此外，索尼在2020年5月發布全球首個“智能圖像傳感器（Intelligent Vision Sensor ）”一一“IMX500”（注5），該傳感器搭載了AI處理功能，可以說該款芯片是將“視網膜”和“大腦”直接連在了一起。此外，由於該款圖像傳感器直接在內部進行AI處理，因此不需要將數據傳送至雲端，有利於減輕數據中心的負荷、削減電力。如今，索尼正在進行新的努力，以推進圖像傳感器在諸多社會場景的應用，如解決市區內交通擁堵問題、零售業的智能化、以控制大樓內空調系統功耗爲目的的解決方案等。
利用“IMX500”進行的諸多實驗。爲零售業提供解決方案（如庫存數量等）（左圖），在意大利的羅馬進行監測交通情況的驗證實驗，以解決社會問題（右圖）。
此外，圖像傳感器作爲一項捕捉現實世界的技術，未來依然會受到業界關注。被稱爲“元宇宙”的虛擬世界愈是普及，與現實世界的銜接就越重要。隨着未來“元宇宙”的普及，圖像傳感器作爲一項可以識別現實世界的技術，在一些新的行業和領域，依然會成爲一項核心技術。
在談到CMOS傳感器未來發展時，索尼相關負責人曾在一篇名爲《“Evolving Image Sensor Architecture through Stacking devices”》中表示，爲了更優化、更高效地集成光電二極管、像素電路、ADC、數字處理器和存儲器等功能模塊，需要能夠進一步實現多層化、區塊化的多層堆疊技術。這些技術的發展，也能夠進一步加速CMOS圖像傳感器的使用和新應用的开發，不斷改善我們的生活。
點擊文末【閱讀原文】，可查看原文鏈接！
*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。
本文作者可以追加內容哦 !