1，背照式技术（Gen1架构）

前照式的CMOS图像传感器中，当光经过微透镜和颜色过滤器后还要经过金属布线层，才能到达光电二极管处并开始累积光生电子。

在光电二极管的旁边还有负责临时存储光生电子的区域，于是为了防止存储区域中的电荷信号漏光便有了“遮光罩”的设计，而那些金属布线层正是位于这个遮光罩的上面。

也就是说，由于这个遮光罩是一定要存在的，所以金属布线层设计在其上面就可以充分利用像素内之纵向空间，而这就是前照式结构的优点。

但是随着2005年后，诺基亚和索尼爱立信都在手机镜头上互飙像素量，手机CMOS传感器的总像素量就变得越来越高了。

于是在手机传感器的底缓慢变大之情况下，像素尺寸就变得越来越小，这时候前照式结构的缺点便开始显现出来。

首先就是金属布线层在受到光照时会产生反射现象，本来像素尺寸越小进光量就越小，有了光损后劣势就更明显了。

然后就是衍射这个棘手问题了，因为金属布线层所覆盖区域其比例是保持不变的，所以随着像素尺寸的缩小光通道就会变得越来越窄。

当光通过的区域变小后衍射现象就会增强，最终这个衍射影响便会结合金属布线层的反射影响，让旁像素受到严重光串扰而使图像中的颜色混合在一起。

而根据衍射计算公式可以知道（下图所示），若要改善单个区域的衍射问题，就必须缩短微透镜到光电二极管的距离。

此时若先在形成光电二极管的一侧制作所有电路部分，然后将晶圆翻转倒置在基板上，接着将上面硅层打薄再覆盖彩色滤波片和微透镜，于是便有了背照式结构。

这样其既可以消除前照式结构中金属布线层造成的衍射干扰，又能解决金属布线层因反射而造成的光损问题，从而得以在同一大小像素条件下大幅提高量子效率和进光量！

另外由于金属布线层被转移到了背面，这样就可以毫无顾忌地拓展电路规模，从而大幅提升传感器的读取速度——借此实现更高速的连拍和更高清的视频录制！

2，堆栈式技术（Gen2架构）

虽然背照式技术在2007年已由豪威对外展示了样品，但真正将基于该技术产品量产的CIS厂家却是索尼，只不过索尼先量产并商业化的都是一些相机传感器。

所以最终率先在手机上应用这个技术的还是豪威传感器，而其所对应的手机便是苹果在2010年发布的一代传奇型号iPhone4。

但此时索尼的工程师们在公司CIS业务蓬勃发展的同时，还在开发事关制造成本的新工艺，最终经历了两年开发历程的业界首款堆栈式传感器，在2011年正式量产！

那么堆栈式技术，是怎么降低传感器制造成本的呢？答案就是小型化。因为一片晶圆上能够切出的产品数量越多，那么良率就越高，同时边缘损耗也会因此而变少。

此外随着手机影像的发展，其对于传感器处理性能之需求也日渐增长——这样就得增加处理回路的晶体管数量，简而言之就是得提高制程，从而在同等面积内容纳更多的晶体管。

但尴尬的是与处理回路处于同一层的像素区域，对制程工艺却并不“感冒”（与像素尺寸有关），这时若采用堆栈式工艺便可将像素层和电路层分开而避免此问题。

此外，处理回路基于自身单层的“独栋别墅”其规模便得到了大幅扩张！从而得以配置性能更强、功耗更低的图像信号处理器以及配套电路，并实现硬件级HDR以及慢动作拍摄等功能。

这时候若不需要考虑成本向的小型化需求，那么分离出电路层的像素层便可在原处理回路区域种植更多像素，从而在像素尺寸不变的情况下实现“高画质”。

以上就是堆栈式技术，所带来的多功能、小型化或高画质等特性；而且在堆栈式分离电路层的基础上，由于像素层依然可以采用背照式技术，所以之前背照式的优点也得以全部继承！

3，进阶版堆栈式技术

堆栈式技术的像素层与电路层方案，最初是采用硅通孔技术即 TSV 将两层连接在一起，这个方案需要在像素层的三边设置独立的 TSV 连接层，也就是说小型化做得还不够彻底。

此外，这个技术还有更短的互联距离和更高的互联密度等优势，基于此便可提高传感器的读出速度。而且该技术无需针对每颗Die进行单独互联，所以其生产效率也有飞跃式提升！

这个基于 DBI 混合键合的堆栈式技术就是索尼Gen3架构了，后来于2018年索尼又在Gen3架构的基础上，展示了基于像素级铜互联的像素直连技术——而这就是索尼的Gen5架构。

Gen5架构之所以能够实现，皆是得益于 DBI 混合键合技术持续进步所带来的铜互联间距之不断缩小，最终得以实现将像素层和电路层所需要的铜互联连接端子直接嵌入硅片之中。

这样便可实现上层任意一个像素都能和下层逻辑电路进行直接键合高速连接，并直接省去之前分布于四边的铜互联电路连接区域，于是便成就了最极致的传感器高速化和小型化！

实际上在Gen5架构出现之前的2017年，索尼还业界首发了基于三层堆栈式技术的Gen4架构，直接在传感器中加入了容量高达1GB的DRAM层。

有了这个超大缓存载体的存在，那么就可将处理电路的层数增多以实现高速读出，从而在拍摄高速运动物体时实现最小失真度的静止图像，并支持1080P的1000fps慢动作视频拍摄。

不过Gen4架构依然是 TSV 技术的产物，于是在2019年索尼又推出了基于 DBI 混合键合技术的三层堆栈式技术，这便是传说中的Gen6架构。

4，双层晶体管技术

虽然上述的四种进阶版堆栈式技术优点很多，但其中唯一在手机端被坚持用下来的只有Gen3架构；例如苹果2017年的iPhone8系列主摄传感器，就开始引入该技术并一直沿用至今。

有趣的是，这些技术三星手机大部分都用过，只不过其另有图谋。例如S7和S8时代的Gen3架构，S9、S10时代的Gen4架构，以及S20、S21时代的Gen6架构。

这种合作的深度在业界十分罕见，因此索尼手机出货量那么稀少结果却能用上三星的M系列屏幕，基本就能解释通了。不过三星后面却只玩自己的传感器，索尼瞬间成了“牛夫人”。

包括索尼在2021年尾开发成功的双层晶体管技术，纵使国产手机品牌和苹果手机都有零星采用，但三星依然不为所动，还是在顶级旗舰 S24 Ultra 上沿用其自家的旗舰传感器HP2。

当然三星这么强势也是有底气的，因为其凭借自身的先进半导体工艺制造能力，不仅大力发展ISOCELL技术还在超高像素路线方面走得最远，从而得以在传感器技术领域自成一派。

不过索尼在传感器技术领域之霸主地位还是不能撼动的，例如其最新的双层晶体管技术就是基于堆栈式理念而开发的指引未来之作，只可惜因为良率低和成本高而暂时难以普及。

至于双层晶体管的技术原理其实就是针对像素层的又一次分层堆栈，将原先和光电二极管、传输晶体管同一层的三种像素晶体管单独分离出来，从而顺利实现分层结构优化。

其中，光电二极管层在更充裕空间基础上可大幅拓展光子容量，并同比例拓展传输晶体管的传输效率和浮置单元的满阱容量，简单说就是扩大了代表可成像的明暗差范围之动态范围。

同时，像素晶体管层的放大晶体管基于分层后之充裕空间尺寸也得以做大，这样经其读出的转换增益值就可得到更上一层楼的放大效益，从而显著减少暗光环境下产生的噪点。

以首发双层晶体管技术的索尼IMX888（亦名为LYT-T808）为例，其像素四合一满阱容量就高达40000e！而一英寸的IMX989其像素四合一满阱容量也就48000e而已。

也就是说，IMX888以仅为IMX989一半的像素尺寸，就实现了后者83%的满阱容量！结合提升非常显著的前端降噪能力，在底没增大的基础上进一步挖掘出了纵向堆栈的巨大潜力。

另外从IMX888的横截面透视图中可以看出，连接电路层所基于的还是Gen3架构之 DBI 混合键合技术，但连接光电二极管层和像素晶体管层所基于的却是 TSV 技术。

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