ISOCELL图像传感器双垂直传输门（D-VTG）技术

今年1月，三星发布了拥有2亿像素的最新影像黑科技 ISOCELL HP2 图像传感器，让用户用智能手机就能拍摄画质细腻、细节丰富的照片。接着在2月举行的 Galaxy Unpacked 2023 活动上发布了搭载 ISOCELL HP2 的三星旗舰智能手机 Galaxy S23 Ultra，，为智能手机用户乃至专业摄影人士带来影像体验新高度。 拓宽技术边界，轻松拍出大片。三星采用新科技改进像素结构提高光吸收率，使传感器能够应对在多种复杂光线环境下的拍摄情景，拍出具有细节表现力的逼真影像。升级版双垂直传输门（D-VTG, Dual Vertical Transfer Gate）作为 ISOCELL HP2 的核心组成部分，升级像素细节、增强色彩再现，尤其在明亮的光线条件下效果更佳突出。 了解更多提升 ISOCELL 图像传感器性能的核心技术，双垂直传输门（D-VTG）！ 解析像素结构与传输门 像素捕捉的光线信号通过微透镜和色彩滤镜矩阵后在光电二极管转变为带有负电荷的电子。接着电子通过传输门存储在浮动式扩散层（Floating Diffusion）中。模拟数字转换器（ADC）将存储的电荷成比例转变为电压，然后再将其转换成数字信号。 传输门能够像开关一样控制电子从光电二极管移动至浮动扩散节点。其特别之处在于，被传送的最大电子数量将对图像传感器的性能产生重大影响。如果传输门可以吸收更多的电子，增加像素内部的光电二极管尺寸。因此，传输门的像素满井容量，将影响动态范围等多种图像质量指标。 随着图像传感器的像素越来越密集，体积却越来越小，与光电二极管接触的传输门尺寸也需要随之缩小。然而，传输门体积降低将会导致像素满井容量缩水，并产生更多噪点。不过，三星ISOCELL技术通过在像素之间建立物理屏障“FDTI（Front Deep Trench Isolation）”，降低像素之间的干扰，缩小光电二极管的尺寸，进而增加捕获的光子数量。 为了克服这一问题，三星尝试采用改变传输门的结构垂直传输门VTG（Vertical Transfer Gate）技术。传输门位于光电二极管下方，如果将其结构从水平改为垂直，则可以在像素内形成更深的光电二极管，实现在小空间捕捉充足电子。让更多的电子通过传输门移动到浮动扩散节点，从而捕获更多光信息。 开发双垂直传输门（D-VTG） 超高清移动端图像传感器需求日益高涨，推动着三星电子将像素数量从 1.08 亿升级至 2 亿。然而，受光学模块结构和图像传感器尺寸限制，需要用更小的像素尺寸实现高分辨率，这就要求光电二极管缩小尺寸。为了突破这一问题，三星不断升级基于 FDTI 结构的 ISOCELL 像素技术，实现了 0.64㎛ 大小的像素尺寸，并且不断缩小 DTI 尺寸，优化等离子体辅助掺杂（PLAD，Plasma-assisted doping），将满井容量（full-well capacity）保持在 6,000e-。 D-VTG技术是三星在小像素上又一个制程突破，实现了在每个像素上采用两个VTG的双垂直传输门(D-VTG)，并将其应用在了HP2图像传感器上。得益于全新双垂直传输门（D-VTG）技术，不仅提高了传输门电压的可控性，对比单管传输门VTG，极大地提高了传输能力，优化了VTG的间隙、深度和锥度斜率来等，最大限度提高了电子传输。 如图1所示，通过沿着 VTG 移动的电子数量，即电位值，可知区域1和区域2的 D-VTG 都比 S-VTG （单管VTG）的电位值高。

将两个 VTG 之间的间隙从 130nm 降至 20nm，同时缩小 VTG 尺寸进行模拟，结果如图所示，区域1的电位值与 VTG 尺寸呈正相关，而区域2的电位值则与VTG之间的间隙呈负相关。

改进性能 图 3 是在相同满井容量（FWC）下测量的 S-VTG 与 D-VTG 的图像延迟结果。图像延迟意味着没能通过传输门的电子上一帧移动至下一帧通过，从而影响色彩再现。D-VTG 虽然在 1.5V 没有图像延迟，但 S-VTG 却出现了约 13LSB 的图像延迟。

这意味着，如图4所示，在相同的电压下，D-VTG 比 S-VTG 的传输效率更高。并且能在像素中形成更深的光电二极管，接收更多的光线。

因此，D-VTG 对比 S-VTG 能在保持相似水平的随机噪音（Random Noise）、随机电报信号噪音与白像素（缺陷导致漏电流形成缺陷像素）的情况下，将满井容量（FWC）最高提高约66%。 ISOCELL HP2 的每个像素比前一代2亿像素图像传感器多吸收 33% 的电子，从而有效提高色彩表现。随着满井容量的增加，每个像素可以使用更多的电子，提升在强光条件下的色彩在线能力。ISOCELL HP2 是三星首款应用 D-VTG 技术以足够的满井容量实现小尺寸高像素的的图像传感器。未来，三星将把这一创新技术应用到更多图像传感器系列产品上，以卓越的摄影科技帮助用户轻松拍摄高画质大片。 _{引用：J. Yun et al., "A 0.6 ㎛ Small Pixel for High Resolution CMOS Image Sensor with Full Well Capacity of 10,000e- by Dual Vertical Transfer Gate Technology," 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits), Honolulu, HI, USA, 2022, pp. 351-352, doi: 10.1109/VLSITechnologyandCir46769.2022.9830254. (Link↗)} 除非经特殊说明，本网站中所涉及的数据均为三星内部测试结果，涉及的对比均为与三星产品相比较。