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探討三星 ISOCELL 影像傳感器的 D-VTG 技術,提高畫質的秘密武器

D-VTG (Dual Vertical Transfer Gate Technology) 最初見於三星半導體的 ISOCELL HP2 是一款具有 2 億像素(200-megapixel)的影像傳感器,專為高端智慧型手機提供極致的超高解析度照片,在 2023 年 2 月的 Galaxy Unpacked 活動中,三星展示了搭載 ISOCELL HP2 的 Galaxy S23 Ultra,該技術為專業和一般消費者打開了新可能性,而且可以提供更多像素和細節。

D-VTG (Dual Vertical Transfer Gate Technology)技術解析

D-VTG 技術是 ISOCELL HP2 的關鍵技術之一,旨在改善每個像素的色彩和細節表現,即使在明亮的環境中也能保持優異表現。

D-VTG 像素結構與傳輸門的運作原理:

在像素陣列中,光線通過微透鏡和色濾鏡後,由光敏二極體轉換為負電荷的電子。這些電子透過傳輸門被儲存在浮動擴散區,再通過電路傳送至類比至數位轉換器(ADC),並轉換為數位信號。

傳輸門類似於開關,可控制電子從光敏二極體到浮動擴散區的移動。傳輸門的最大電子通過量對影像感測器的性能有重大影響,傳輸門若能通過更多電子,則可增大像素中的光敏二極體大小。

D-VTG 技術的開發與應用:

隨著行動影像感測器需求趨向超高解析度,三星從 108 百萬像素發展至 200 百萬像素。由於智能手機光學模組和影像感測器格式的限制,需要更小的像素尺寸。為此,三星持續改良基於 FDTI 結構的 ISOCELL 像素技術,並透過減小 DTI 尺寸和優化 PLAD 來維持充足的全井容量(FWC)。為了進一步提升超高解析度影像感測器的性能,三星開發了 D-VTG 技術,並首次在 ISOCELL HP2 中應用。

技術優勢與影響:

D-VTG 技術通過在一個像素中整合兩個 VTG,不僅增強了個別傳輸門電壓的可控性,而且優化了 VTG 的間隙、深度和斜坡,以最大化傳輸量。

D-VTG 技術圖解:

為了提升超高解析度影像感應器在更小尺寸像素上的性能,三星開發了 D-VTG(雙垂直傳輸門)技術,這項技術在單一像素中整合了兩個 VTGs,並首次應用於 ISOCELL HP2 影像感應器。通過實施兩個 VTGs,三星不僅提高了個別傳輸門電壓的可控性以增強傳輸能力,相較於單一的 VTG,還優化了 VTGs 之間的間隙、深度及錐度坡度,以最大化傳輸量。

沿著 VTGs 運行的電子數量,即電位值,顯示 D-VTG 在第一區和第二區的電位值均高於 S-VTG(單一 VTG)

如上圖所示,沿著 VTGs 運行的電子數量,即電位值,顯示 D-VTG 在第一區和第二區的電位值均高於 S-VTG(單一 VTG)。

此外,還進行了模擬,將兩個 VTGs 之間的距離從 130 納米減少到 20 納米,並且 VTGs 的尺寸也相應減小,如下圖所示。在第一區,隨著 VTG 尺寸的增加,電位值增加;而在第二區,隨著 VTGs 之間間隙的縮小,電位值增加。

根據 D-VTG 間隙在第一區和第二區的電位剖面圖及電子傳輸路徑

上圖展示了在相同全井容量(FWC)下,S-VTG 和 D-VTG 的影像延遲結果。影像延遲指的是在這一幀中未通過傳輸門的電子,在下一幀中移動並通過,影響色彩再現。在 1.5V 情況下,D-VTG 沒有影像延遲,但 S-VTG 的影像延遲約為 13 LSB。因此,與 S-VTG 相比,D-VTG 的全井容量高達約 66%,而隨機噪聲(RN)、隨機電報信號(RTS)和白點(由於缺陷導致的漏電流的缺陷像素)特性則保持相似。

在 ISOCELL HP2 的情況下,每個像素理端上吸收的光比前代 200MP 影像感測器多 33%。通過每個像素使用更多的電子,即使在亮光條件下,色彩再現顯著增強。ISOCELL HP2 是三星首款採用 D-VTG 技術的影像感測器,即使在小像素尺寸下也能提供足夠的全井容量。三星計劃將這一創新技術應用於各種影像感測器產品線,以為消費者提供更好的攝影體驗。

參考來源:https://semiconductor.samsung.com/news-events/tech-blog/d-vtg-technology-of-isocell-image-sensor/

TechApple.com 編輯部

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