從論文跟大家分析 SONY Xperia 1 V 的次世代感光元件！

SONY 在今天就發佈了新一代的旗艦手棧 SONY Xperia 1 V，在發佈會預熱時 SONY 已經用了 Next-gen Sensor 來宣傳，到剛剛發佈會上公佈了這部 Xperia 1 V 的主鏡頭將採用全新的次世代雙倍低噪感光元件，那麼究竟這個感光元件有甚麼特別呢？今次小編查看了當時 SONY 所提交的學術論文跟大家拆解吧！

SONY Xperia 1 V 相機模組快看

今次 Xperia 1 V 相機模組其實跟上代的分別不大，16mm 的 12MP 1/2.5″ 超廣角鏡頭和 85/1225mm 的 12MP 1/3.5″ 真．光學變焦長焦鏡頭配置上均沒有改變。其中最大的主鏡頭由使用了兩代的 SONY IMX557 感光元件改用了全新的「次世代雙倍低噪感光元件」。

這個感光元件 SONY 並沒有公佈型號，只是稱它為新一代的 Exmor T 感光元件。根據官方的資料，這個感光元件擁有 1/1.35″ 感光呎吋，原生擁有 5200 萬像素，但是由於元件的比例是 4.3:3，所以剪裁回 4:3 後有效像素是 4800 像素，但是手機輸出時是強行進行四合一大像素，所以實際的輸出像素為 1200 萬像素。今代的感光元件採用了全新的「雙層電晶體像素技術」（2-Layer Transistor Pixel），這個也是今次 Xperia 1 V 主要的升級，透過這個技術官方指可以在低光環境下消減雙倍的低噪，從而做到「雙倍低噪」效果。

甚麼是雙層電晶體像素技術？

那麼實際上這個雙層電晶體像素技術是甚麼呢？其實這個 2-Layer Transistor Pixel 是 SONY 半導體解決方案集團（Sony Semiconductor Solutions Group，SSS）於去年 6 月研發出來的，之後 SONY 把研究論文刊登在 Symposium on VLSI Technology & Circuits，所以我們可以從論文中窺探到這個技術的原理。

一個感光元件的構造

一個感光元件的發光原理是光線進入到光電二極管 (Photodiode，PD)，光電二極管是用作接收光的訊號的，接收到光後之後會發送訊號到像素晶體管 (Pixel Transistor) 分配到電路上與其他像素的訊號匯合從而產生影像。

現時市場上感光元件的光電二極管 (PD) 和像素晶體管 (Pixel Transistor) 基本上是並排的，所以一個平面上光電二極管需要預留空間給予像素晶體管，所以其實並不能用盡百分百像素的空間。

全新雙層電晶體結構

SONY 半導體在最新的研發中就克服了工藝制作和生產時發熱量的挑戰，以 3D 順序集成技術 (3D Sequential Integration Process) 來把光電二極管與像素晶體管分了兩層安裝，這才是技術名稱「雙層電晶體像素」中「雙層」的意思。

全新防止光線流失物料

除了電路的位置改變了外，SONY 半導體在「全深槽隔離」也採用了新技術。「全深槽隔離」(Full Trench Isolations，FTI) 是像素之間的間隔，防止光線由一個像素走到另一個像素上。今次 SONY 就採用了氧化硅作為全深槽隔離的材料，有助減少光線被間隔牆所吸收。

新架構的成果：低光照片噪點更少

在經過一連串這個「雙層電晶體像素技術」的加持下，對拍攝最直觀的提升就是相機的滿阱電荷容量（又名電位井容量，Full-well Capacity FWC）。在開頭時談及到其實手機拍攝的原理就是光電二極管收到光線後會轉化為訊號，而滿阱電荷容量就是指感光元件中一個像素可以容納電荷（光線）的數量，當滿阱電荷容量越大時，拍攝出來的成像就有越大的動態範圍。

SONY 半導體在研究中使用了 5000 萬像素 1.0μm、支援 Dual PD 的感光元件為例子，其滿阱容量達到驚人的 12000 e-（電荷的單位）。對比 SONY 一般採用傳統單層的感光元件來說捕捉到的光線上出 3 倍多！以現時的量產產品作例子，同樣支持 Dual PD（全像素雙核對焦）的型號中 1.2μm 的感光元件才只達到 8000 e-。根據線性估計，1.0μm 感光元件的滿阱容量可能只有 6000 e-，那麼如果今次 SONY 的新技術真的達到 12000 e-，那就真的做到如 Xperia 1 V 所說的「次世代雙倍低噪」了。

在研究團隊的測試中，下圖左邊是使用傳統感光元件拍攝下只有在高進光量（背景）部分下感光元件已經有飽和，但是雙層感光元件則在所有部分均有良好和清晰的影像。

總結：SONY Xperia 1 V 拍攝會更好嗎？

在結論來說，從 SONY 的期刊論文中可以看到新研發的雙層電晶體架構的確能保障相機在拍攝時不會容易出現爆光的情況出現，在低光時也可以降低相片的噪點。所以雖然 Xperia 1 V 的感光元件雖然沒有說應用了 1 吋元件，但是感光元件背後的技術所帶來的升級也不容忽視。

不過說到底今日小編跟大家分享的都只是 SONY 在論文上的理論，量產時可能實際的構造也會跟理論有所不同。不過近幾年不同廠商也致力在構造上改善感光元件的性能，除了 SONY 的雙層電晶體像素技術外，三星也在 Galaxy S23 Ultra 的 ISOCELL HP2 上加入的 D-VTG 也是另外一個提升拍攝效果的性能，所以雖然不是每個廠商都追求一吋元件，不過在未來不同手機可以也會開始擁有差異化的相機模組。小編就看看未來能不能借到 Xperia 1 V 真機為大家進行評測吧！

資料來源：

K. Zaitsu et al., “A 2-Layer Transistor Pixel Stacked CMOS Image Sensor with Oxide-Based Full Trench Isolation for Large Full Well Capacity and High Quantum Efficiency,” 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits), Honolulu, HI, USA, 2022, pp. 286-287