1/3.06型 13メガピクセルSmartFSIイメージセンサを開発

パナソニック株式会社デバイス社は、高感度・低ノイズ・高色再現性を実現する
SmartFSI※1イメージセンサを開発し、デジタルカメラ向けに14メガピクセル品および16メガピクセル品を量産※2しています。今回、スマートフォンやタブレットのカメラを高画質化・薄型化する1/3.06型13メガピクセルSmartFSI※1イメージセンサを開発し、2012年12月より量産開始します。

【効 果】
本製品を使用することにより、スマートフォンやタブレットなどのモバイル端末に搭載されるカメラをデジタルカメラ並みの高S/N[1]・高色再現性を実現するとともに、さらに薄型化することができます。

【特 長】
本製品は以下の特長を有しております。

1．業界トップレベル※3の高感度3230el/lx/sec/um2を実現することにより、スマートフォンなどのモバイル端末搭載カメラの高画素化が可能

SmartFSI※1技術は、画素ごとに光隔壁[2]と光導波路[3]からなる当社独自の集光構造です。今回、この当社独自の集光構造に加え、フォトダイオード構造の進化を図りました。
この結果、画素面積が1.77um2から1.25um2と71％に縮小したにも関わらず、従来※4の3200 el/lx/sec/um2から3230el/lx/sec/um2と業界トップレベル※3の高感度を維持しました。

2．画素アンプ[4]の高感度化とトランジスタの低ノイズ化により、従来比2倍※4の高S/Nを実現するとともに、当社独自の集光構造と偽色[5]が少なく色再現の良いRGB（赤/緑/青）画素配列により、デジタルカメラ並みの高S/Nと高色再現性を実現し、暗所でも明るくかつ被写体の色を忠実に再現可能

夜景や暗い室内での撮影では、カメラの感度を上げて撮影する必要があります。感度を上げると撮影した画像は明るくなりますが、ノイズの影響が目立ち、ざらつき感が出てきます。今回のSmartFSI※1では、画素アンプのノイズを従来の50％※4に低減しました。この結果、感度を2倍に高感度化したことと等価の従来比2倍※4のS/Nを実現し、夜景や暗い室内でも細部まで高い解像感を保ったまま撮影することが可能となりました。このことにより、画素面積を小さくしながらでも、デジタルカメラ並みの高S/Nと高色再現性を実現しました。

3．当社独自の集光構造の特長を活かし、集光性能としての入射角を拡大することにより、カメラモジュールの厚さを薄型化が可能

SmartFSI※1では、画素ごとに光隔壁と光導波路からなる当社独自の集光構造により、入射光を設計どおりに曲げることができます。これによってイメージセンサに入射する光の入射角特性を最大40°にまで拡大でき、レンズとイメージセンサの距離を小さくすることができます。理論的にはカメラモジュールの厚さを、一般的な裏面照射型MOSイメージセンサに対して70％にまで薄くすることができます。

【内 容】
本製品は以下の技術によって実現しました。

1．微小サイズの画素に広く、深いフォトダイオード[6]を形成する、高感度フォトダイオード形成技術

光を電子に変換するフォトダイオードは、画素サイズが小さくなると、深さが浅くなるなど形状を正確に形成することが難しくなります。そのため、フォトダイオードの深部に到達する光を電子に変換する光電変換効率が低下する傾向にあります。今回、微小サイズの画素に広く、深いフォトダイオードを正確に形成する技術を開発することにより、画素面積が1.77um2から1.25um2と71％に縮小したにも関わらず、光電変換効率を高め、業界トップレベル※3の高感度を実現しました。

2．寄生容量[7]の低減による画素アンプの高感度化とトランジスタの低ノイズ化を実現する、半導体微細加工技術

画素アンプの高感度化には光電変換された電子信号を電圧信号に変換する画素アンプの変換ゲイン[8]向上が有効です。一方、画素アンプの変換ゲインは回路構成上発生する寄生容量により低下します。そこで今回、微細プロセスに最適化した画素アンプを再設計することにより、画素アンプの寄生容量を低減し、変換ゲインを向上することで画素アンプを高感度化しました。さらに、トランジスタの低ノイズ化のために、半導体微細加工技術によりトランジスタのゲート酸化膜を薄膜化し、画素アンプのノイズを従来の50％※4に低減しました。

3．カメラモジュールレンズと当社独自の集光構造の最適マッチング設計技術

当社独自の集光構造は、光隔壁と光導波路で光を曲げることができ、集光特性の設計自由度が従来より大幅に増しています。これにより、カメラモジュールのレンズ特性とイメージセンサの集光特性を最適マッチング設計することができます。この結果、カメラの薄型化にともない発生するイメージセンサ周辺画素での混色[9]の減少や集光率の低下を防ぐことができ、色ムラや輝度ムラのない高画質な薄型カメラの実現を可能としました。

【従来例】
スマートフォンやタブレットなどのモバイル端末では、搭載されるカメラモジュールが機器の薄さを決定する要因の一つになっていました。モバイル端末でも、光量の少ない夜景や暗い室内での撮影もきれいに写せるという高S/N性能や忠実な色再現を実現する高色再現性をデジタルカメラ並みに実現しながら、カメラモジュールをさらに薄型化したいという要望があり、それらを満足するイメージセンサが求められていました。

【製品化】
量産出荷開始:2012年12月
サンプル価格:数量応談

【備 考】 本製品は、2012年10月2日～10月6日に幕張メッセで開催されるCEATEC JAPAN 2012に出展します。

※1　「SmartFSI」は、パナソニック株式会社の登録商標または商標です。
※2　14メガピクセル品:2011年5月12日発表、16メガピクセル品:2012年6月14日発表
※3　MOSイメージセンサとして。2012年9月20日現在、当社調べ。
※4　MN34120シリーズ（1/2.33型　約1640万画素（有効画素））

【用語の説明】
[1]S/N
信号雑音比 (signal-noise ratio) または 信号対雑音比 (signal-to-noise ratio) の略です。ノイズのない明るくきれいな画像を示す数値で、S/Nが大きいほどきれいな画像になります。

[2]光隔壁
カラーフィルタの周りを取り囲んだ壁で、周囲より屈折率の低い材料で構成され、光を反射する機能を持っています。その機能により、様々な方向から入射してくる光を反射して画素の中に閉じ込めることができます。

[3]光導波路
周囲より屈折率の高い材料で構成され、光を閉じ込める機能を持っています。その機能により画素に入射した光を閉じ込めてフォトダイオードに誘導する光の通路の役割を果たしています。

[4]画素アンプ
MOSイメージセンサが各画素に内蔵しているアンプのことで、フォトダイオードで光電変換された電子信号を電圧信号に変換します。

[5]偽色
デジタルカメラなどに用いられるイメージセンサは、色そのものを識別することはできないため、カラーフィルタにより光の三原色（RGB）を色分離して取り出しています。そのため、画像の明るい部分や色の境目では各画素のカラーバランスが崩れ、色を取り出す際に誤った色として認識してしまい、被写体には存在しないはずの色が画像に生じることがあります。

[6]フォトダイオード（Photo Diode）
イメージセンサの重要な構成要素で、光を電子に変換する光電変換機能と、変換された電子を蓄積する機能をもっています。

[7]寄生容量
電子部品の内部あるいは電子回路の中で、それらの物理的な構造により発生する、設計者が意図しない容量成分のことです。

[8]変換ゲイン
画素アンプで電子信号を電圧信号に変換する際の増幅率を指します。

[9]混色
イメージセンサの撮像部は、赤、青、緑の色を検知する機能をもつ画素がマトリクス状に並んでいます。これら画素間で隣接した画素の信号が光学的に混ざる現象のことです。隣り合った画素信号が混ざるため、色ムラや解像度の低下などが生じます。

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