Изобретение микроскопа принесло революционные изменения почти во все области деятельности человека. Использование этого инструмента трудно переоценить, а широту применения невозможно ограничить какими-то рамками. Спустя столетия микроскоп продолжает совершенствоваться. В 2014 году, например, разработчики одной из самых передовых технологий в оптической флуоресцентной микроскопии удостоились Нобелевской премии. Это очень развитая и совершенная технология, но, к сожалению, она требует особых умений и дорогая в эксплуатации. Между тем прикладная и академическая науки требуют оптических микроскопов новых поколений и, в сочетании с современной электроникой, такие приборы обещают появиться.

Слева на фото Нильс Вереллен (Niels Verellen)

На днях один из молодых учёных бельгийского исследовательского центра Imec Нильс Вереллен (Niels Verellen) был удостоен гранта Европейского научного совета ERC на разработку сверхкомпактного микроскопа. Программа предусматривает пятилетние исследования на сумму 1,5 млн евро. Микроскоп будет опираться на датчик изображения КМОП вкупе с использованием технологии кремниевой фотоники. Нильс Вереллен как раз специалист Imec по кремниевой фотонике. Сверхкомпактный микроскоп должен удовлетворять ряду других требований. Он не должен требовать материалов при обслуживании (zero-maintenance), иметь сверхвысокое разрешение, должен работать быстро с минимальной подготовкой к работе, не требовать каких-либо условий для работы и при этом должен быть недорогим. Иначе говоря — пригодным для массового производства.

Создание микроскопа по предъявленным выше условиям приведёт к облегчению диагностики целого ряда опасных для человека заболеваний. Разработка должна помочь в наблюдении живой клетки вплоть до молекулярного уровня и до секвенции ДНК «на коленке». Теоретически, подобные микроскопы можно будет встраивать даже в смартфоны.

Imec продолжает радовать разработками, открывающими путь к производству полупроводников с нормами менее 5–3 нм. Среди прочих докладов на симпозиуме VLSI Technology 2018 разработчики центра рассказали о найденной серии технологических цепочек, которая позволит выпускать комплементарные пары полевых транзисторов с использованием технологических норм менее 3 нм (complementary FET, CFET). Процесс производства CFET по энергоэффективности и производительности транзисторов может в итоге превзойти техпроцесс FinFET применительно к технологическим нормам 3 нм. Более того, техпроцесс CFET открывает возможность уменьшить на 50 % размеры как стандартных (цифровых) ячеек, так и ячеек памяти SRAM.

Слева указаны варианты строения ячеек (стандартной и SRAM), а справа — предложенная Imec комплиментарная структура из двух транзисторов

Напомним, что на использовании комплементарных пар транзисторов базируется классические КМОП (CMOS) техпроцессы производства микросхем. Это транзисторы с разным типом проводимости (n и p), но идентичные или почти идентичные по параметрам. Разработчики Imec внесли смелое предложение создавать на кристалле комплиментарные транзисторы не рядом, а друг над другом. В предложенной Imec цепочке операций по обработке кремниевой пластины полевой транзистор n-типа (nFET) располагается над полевым транзистором p-типа (pFET).

Транзистор pFET выполнен в виде вертикального ребра (фактически FinFET), а транзистор nFET в виде вынесенной над ним наностраницы (по сути такого же ребра FinFET). Особая прелесть данной конструкции в том, что она создаётся в обычном техпроцессе, как для выпуска транзисторов FinFET. Анализ конструкции с помощью TCAD-инструментов доказывает, что производительность и потребление CFET, выпущенных с использованием 3-нм техпроцесса, превзойдёт показатели транзисторов FinFET в лучшую сторону. Тем не менее, есть проблема, с которой ещё придётся разобраться — это высокое паразитное сопротивление участка подключения истока к верхнему nFET-транзистору (происходит значительное падение напряжения Vss). Данную проблему можно решить, например, за счёт использования рутения в качестве проводника.

Что касается размера ячеек, то «цифровую» или стандартную ячейку в случае CFET удаётся свести к схеме с тремя активными рёбрами FinFET (три контактных площадки в первом слое металлизации), а ячейку SRAM — к схеме с четырьмя активными рёбрами FinFET. Современные же техпроцессы дают возможность создавать ячейку с 6 активными рёбрами и не меньше (6T). На картинке выше, поясним, показаны только активные рёбра FinFET. Рёбра-пустышки, которые разделяют активные FinFET, но не задействованы в схеме ячейки, на картинке заменены пустыми местами, но на кристалле они физически присутствуют и занимают место. «Двухэтажные» комплементарные транзисторы позволят с пользой использовать окружающую площадь. В этом с Imec согласны партнёры по программе разработки компании GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SK Hynix, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory, TSMC и Western Digital.

Корпорация Panasonic объявила о создании, как утверждается, первого в мире органического КМОП-сенсора изображения с электрически управляемой чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне.

Компании Fujifilm и Panasonic заявили о совместной разработке так называемого органического КМОП-датчика ещё в 2013 году. Данная технология предусматривает использование органического слоя для фотоэлектрического преобразования вместо кремниевого фотодиода. Органический слой позволяет уменьшить ширину секции светоприёмного устройства в несколько раз.

В новом изделии возможно покадровое переключение между съёмкой в цветном режиме и инфракрасном диапазоне. При этом нет необходимости в механическом ИК-фильтре.

Предложенное решение также предполагает применение глобального затвора (Global Shutter), который отличается тем, что все данные считываются сразу.

Новое изделие позволяет получать качественные изображения даже в условиях очень плохого освещения. Таким образом, датчик подходит для использования в комплексах машинного зрения и интеллектуальных транспортных системах. 

В современных цифровых камерах используются два основных типа затвора — рулонный (Rolling Shutter) и глобальный (Global Shutter). В рулонном варианте данные считываются построчно из верхней части датчика до нижней, а побочным эффектом такого метода является перекос вертикальных линий на изображении и другие артефакты, если объект передвигается быстро. Рулонный затвор чаще используется с КМОП-сенсорами. Глобальный затвор отличается тем, что данные считываются сразу и сенсор сбрасывается до следующей экспозиции. Этот затвор чаще используется с ПЗС-сенсорами. И хотя обычные пользователи в большинстве случаев разницы не заметят, но в профессиональном сегменте при съёмке на высоких скоростях эта разница может играть большую роль.

Первый 48-Мп КМОП-сенсор с полнокадровым переносом

Поэтому разработка бельгийской компании CMOSIS нацелена на профессиональный сегмент, включая автоматизированные системы мониторинга, системы машинного зрения, видеосъёмку. Свой новый среднеформатный сенсор CMV50000 разработчики назвали первым 48-Мп КМОП-сенсором с полнокадровым переносом. Новинка включает 7920 × 6002 пикселя диаметром 4,6 мкм каждый. В сенсоре используется запатентованная восьмитранзисторная пиксельная архитектура, обеспечивающая низкий уровень шума и высокую эффективность электронного затвора. Полнокадровый перенос гарантирует, что изображения перемещающихся на высокой скорости объектов не будут подвержены дисторсии. Отмечается поддержка HDR.

Изображение нового сенсора CMOSIS CMV50000

Сенсор включает 22 12-разрядных LVDS-подканалов, каждый из которых работает на скорости до 830 Мбит/с. Это обеспечивает возможность съёмки на полном разрешении (по сути, 8K) со скоростью 30 кадров в секунду и с 12-битным цветом.

Монохромная версия уже доступна заказчикам, а полноцветный вариант поступит в продажу до конца года. Цена новинки составила 3,45 тыс. евро.

Продукция компании ON Semiconductor не представляет непосредственного интереса для конечного пользователя. Тем не менее, её устройства применяются в потребительских устройствах и оказывают влияние на мобильную отрасль. Среди последних разработок компании, представленных на выставке MWC 2016, отметим новый 13-Мп КМОП-сенсор изображения AR1337.

ON Semiconductor

Новинка формата 1/3,2” с технологией обратной засветки нацелена на использование в смартфонах и планшетных компьютерах. Особенностью датчика является технология фазового автофокуса SuperPD, обеспечивающая скорость фокусировки 300 мс и менее, даже в условиях плохого освещения (менее 25 люкс). Сенсор включает массив активных пикселей размером 4208 × 3120 точек. Диаметр пикселя составляет всего 1,1 мкм благодаря чему модуль получился сравнительно компактным. Разработчики утверждают, что AR1337 имеет лучшее в своём классе соотношение сигнал/шум.

Nature

Сенсор поддерживает запись в полном разрешении на скорости 30 к/с. Среди доступных режимов — запись в формате 4K на скорости 30 fps и Full HD 1080p на скорости 60 fps. Схема управления синхронизацией позволяет организовать видеосъёмку двумя сенсорами.

Массовое производство новинки стартует во втором квартале текущего года. Готовые устройства с такими камерами мы увидим чуть позже.

Корпорация Sony рассказала о своём новом КМОП-датчике изображения семейства Exmor RS для фотокамер смартфонов, который называется IMX318 и позиционируется в качестве наследника модели IMX230, применяемой в таких устройствах, как Huawei Honor 7, Lenovo Vibe X3, BlackBerry Priv, Sony Xperia M5 и других.

По сравнению с 1/2,4-дюймовым предшественником, IMX318 уменьшился в размерах — он выполнен в формате 1/2,6”. Число пикселей при этом хоть и символически, но подросло — с 21 до 22,5 млн, из-за чего размер каждого пикселя сократился до 1 мкм. Однако в Sony утверждают, что проблем с качеством съёмки в условиях низкой освещённости это не вызовет благодаря применению специальных технологий для более эффективного использования света и снижения уровня шумов на картинке.

Сравнение снимков в тёмное время суток с помощью IMX230 (слева) и IMX318 (справа)

Другой особенностью новинки является встроенный непосредственно в её сигнальный процессор автофокус, скорость срабатывания которого составляет 0,03 секунды (как у IMX300), а также трёхосная система электронной стабилизации изображения. Последняя не только устраняет последствия тряски камеры, но и исправляет искажения, вызванные оптикой. Что касается съёмки видео, то IMX318 позволяет производить её в разрешениях вплоть до 4K (3840 × 2160). Поставки новых матриц Sony обещает начать уже в мае по цене около $18.

Компания Canon анонсировала разработку нового уникального КМОП-сенсора размера APS-H (29,2 × 20,2 мм), главной особенностью которого является разрешение 250 мегапикселей (19580 × 12600 пикселей). Это самое высокое разрешение среди КМОП-сенсоров, меньших по размерам, чем полноформатные.

250-Мп сенсор

Как отмечается в пресс-релизе, новинка при установке на камеру позволила захватить изображение летящего на 18 км от места съёмки самолёта с такой высокой детализацией, что потом на снимке можно было разобрать надписи на борту летательного аппарата. Конечно, возникает вопрос, а не вызовет ли ощутимых задержек сигнала и связанных с этим проблем столь высокое разрешение. Как отмечают разработчики, им удалось добиться скорости считывания сигнала 1,25 млрд пикселей в секунду, что стало возможным благодаря использованию улучшенных микросхем и новой технологии обработки сигнала. При максимальном 250-Мп разрешении скорость видеосъёмки достигает 5 снимков в секунду. Несмотря на очень малый размер пикселей, разработчикам удалось добиться высокого соотношения сигнал/шум и удовлетворительной чувствительности ISO (правда, конкретные данные не указываются).

Прототип камеры с 250-Мп сенсором

Конечно, этот сенсор не предназначен для потребительских камер, но найдёт применение в специализированных системах слежения, инструментах измерений высокого разрешения и другом промышленном оборудовании. 

Компания Canon анонсировала свою первую камеру многоцелевого использования. Модель ME20F-SH может снимать цветное Full HD-видео при освещении объекта менее 0,0005 люкса, то есть практически в кромешной тьме. Обычно съёмка видео в таких условиях требует инфракрасной подсветки, ME20F-SH не нуждается в дополнительной подсветке. Чувствительность сенсора эквивалентна ISO 4 000 000. Это делает сферу применения камеры очень широкой. Она пригодится в системах безопасности для ночного видеонаблюдения, в кинопроизводстве, в документальной съёмке природы и дикой жизни.

Canon

Новинка оснащена усовершенствованной версией 35-мм полнокадрового КМОП-сенсора с разрешением 2,26 млн пикселей, разработанного Canon в 2013 году. Камера отличается компактным модульным дизайном, что делает её удобной для применения в разных сферах. Диаметр пикселя сенсора составляет 19 микрон, что в 5,5 раза выше показателя топовых камер со сменной оптикой. Байонет EF позволяет экспериментировать с целым парком оптики, доступной для всех камер системы Canon EOS.

Canon

Из интерфейсов отмечаются 3G/HD-SDI,HDMI, стерео мини-джек, 8-контактный разъём для RS-422, есть возможность подключения удалённого контроллера Canon RC-V100. Новинка будет доступна в декабре по рекомендованной розничной цене $30 тыс.

Компания Samsung Electronics сегодня объявила о начале массового производства первых в отрасли 16-мегапиксельных КМОП-сенсором с 1-мкм пикселями для камер мобильных устройств.

Samsung

Изделие получило обозначение S5K3P3. В нём применена проприетарная технология ISOCELL, которая позволяет добиться существенного роста светочувствительности, а также повышения качества и точности цветопередачи даже в условиях недостаточной освещённости.

Суть технологии ISOCELL сводится к формированию специальных физических барьеров между отдельными пикселями (фотодиодами), изолирующими их друг от друга. Это позволяет большему числу фотонов точно поступать с конкретной микролинзы и собираться в нужном фотодиоде с минимальным уровнем нежелательных электрических перекрёстных помех между пикселями.

Samsung

Благодаря методике ISOCELL, как уверяет Samsung, сенсор с 1-мкм пикселями обеспечивает такое же качество изображений, как решения с пикселями диаметром 1,12 мкм. При этом высота модуля сокращается на 20 %, что позволит производителям мобильных устройств проектировать смартфоны, фаблеты и планшеты с минимально выступающими из корпуса камерами. 

Компания Toshiba Corporation анонсировала пополнение ассортимента новым 16-Мп КМОП-сенсором с обратной подсветкой T4KC3. Образцы устройства будут отгружаться заказчикам уже в сентябре этого года.

Toshiba

Toshiba назвала свою новинку самым маленьким в мире 16-Мп сенсором. Несмотря на свои миниатюрные размеры, устройство поддерживает съёмку на скорости до 30 кадров в секунду при полном разрешении (4624 × 3472 пикселей). Потребляемая мощность составляет при этом всего 240 мВт. Также отмечается поддержка технологии Toshiba Bright Mode, которая позволяет повысить яркость изображения в четыре раза. Сенсор умеет снимать HD-видео на скорости 240 кадров в секунду, поддерживает HDR.

Toshiba

Габаритные размеры чипа составляют 8,5 × 8,5 мм. Toshiba планирует выпускать новинку партиями 2 млн штук в месяц, но массовое производство стартует только в декабре этого года.

Хотя полупроводниковый бизнес для Sony не является основным, компания рассчитывает на его рост. При этом японский производитель намерен ослабить свою зависимость от Apple.

В интервью агентству Reuters глава подразделения Sony Device Solutions (производит КМОП-матрицы и другие полупроводники) Томоюки Сузуки (Tomoyuki Suzuki) сообщил, что в нынешнем финансовом году, который продлится до конца марта 2016-го, компания прогнозирует 20-процентный рост продаж датчиков изображений — до 550 млрд иен ($4,4 млрд). За прошлый отчётный год выручка вендора на этом рынке увеличилась на 40 %.

time.com

Несмотря на замедление темпов роста бизнеса Sony, Томоюки Сузуки заявляет, что спрос на фотомодули остаётся настолько высоким, что компания едва успевает его удовлетворять.

Sony не раскрывает список производителей, закупающих у компании фотосенсоры. Крупнейшим клиентом Sony считается Apple. Большие заказы делает и Samsung Electronics, которая во флагманских смартфонах Galaxy S6 отказалась от собственных камер (использовались в Galaxy S5) в пользу решений Sony. Наконец, известно о сотрудничестве японского гиганта с китайскими телефонными производителями, включая Xiaomi.

По словам Томоюки Сузуки, Sony стремится расширять круг заказчиков, чтобы в меньшей степени зависеть от крупных клиентов, таких как Apple.

cnbc.com

«Если компания не может использовать свои производственные мощности на рынке полупроводников, она быстро становится убыточной. Для того, чтобы избежать нестабильности, необходимо иметь разумное соотношение заказов между несколькими клиентами», — сказал глава Sony Device Solutions.

Он также добавил, что Sony не является полупроводниковой компанией, поэтому она вряд ли когда-то будет сосредоточена на сенсорах или других отдельных продуктах, несмотря на свободу, которую получили подразделения в рамках реорганизации.

Компания Toshiba заявила о запуске серийного производства новых 13-Мп КМОП-сенсоров T4KB3, использующих технологию задней засветки (BSI). По утверждению разработчиков, новинка является самым компактным датчиком с таким разрешением в отрасли. Действительно, на основе T4KB3 можно создать модуль с габаритами всего 6,7 × 6,7 мм.

Toshiba

Новинка нацелена, прежде всего, на использование в смартфонах и планшетных компьютерах. Сенсор имеет оптический формат 1/3,07 дюйма и характеризуется потребляемой мощностью всего 200 мВт при скорости записи видео 30 кадров в секунду. Таким образом, он на 53 % экономичнее предшественников. Также он на 24 % компактнее существующей в ассортименте Toshiba 13-Мп модели T4K82. Технология Bright Mode позволяет получить светлые кадры при работе на повышенной скорости. Благодаря Bright Mode удалось реализовать поддержку съёмки Full HD-видео на скорости 120 к/с.

Toshiba

Также новый сенсор поддерживает 13-Мп съёмку (4208 × 3120 пикселей) и 4K-съёмку (4000 × 2160 пикселей) на скорости 30 fps. Цену производитель не уточнил, но новинка уже отгружается заказчикам.

Исследовательская компания Yole Developpement изучила обстановку на мировом рынке датчиков изображения типа CMOS и заметила там укрепление лидерства Sony, на долю которой в прошлом году пришлось более одной четвёртой продаж этих чипов. На второе место взобралась Samsung, опередившая OmniVision.

По оценкам аналитиков за 2014 год, объём реализации КМОП-сенсоров в глобальном масштабе составил $8,85 млрд. В нынешнем году этот показатель вырастёт до $9,8 млрд, а в ближайшие пять лет он будет увеличиваться в среднем на 10,6 % ежегодно и достигнет $16,2 млрд в 2020 году, прогнозируют эксперты.

Крупнейшим производителем CMOS-датчиков остаётся Sony, чья рыночная доля в 2014 году возросла до 27 % с 21 % в 2012-м. За этот период Samsung укрепила свои позиции на рассматриваемом рынке, увеличив показатель присутствия на нём с 18 % до 19 %. Этого хватило южнокорейскому гиганту, чтобы оставить позади OmniVision, под контролем которой в 2012 году было 19 % продаж фотомодулей. В прошлом году данное значение снизилось до 17 %.

topfotografia.net

Тройка ведущих вендоров на рынке датчиков изображения типа CMOS нарастила свою долю с 58 % в 2012 году до 63 % в 2014 г. В пятёрку лидеров всё так же входят компании Canon (7 % в 2014 году) и Aptina (6 %). Последняя была куплена чипмейкером ON Semiconductor в августе 2014 года. Следом в рейтинге Yole идут Toshiba (4 %), STMicroelectronics (4 %) и Nikon (3 %). 

На днях компания Sony заявила о прекращении выпуска ПЗС-сенсоров изображения к 2020 году. В марте 2017 года она остановит линию по выпуску ПЗС-сенсоров в Технологическом центре Кагосимы (Kagoshima Technology Centre) и до 2020 года продолжит выводить с рынка эту продукцию. Вместо этого производитель сфокусируется на КМОП-датчиках. Эту важную для отрасли новость сразу же прокомментировал аналитик компании Yole Developpement Пьер Камбу (Pierre Cambou).

ПЗС-сенсор Sony 960H

Как отметил господин Камбу, временные рамки остановки производства пока ещё точно не определены, так как дискуссии между клиентами и компанией ещё продолжаются. Но можно уже с уверенностью заявить, что это начало конца ПЗС-сенсоров Sony. Несмотря на решение Sony, полного исчезновения отрасли CCD аналитики не предрекают. В некоторых приложениях КМОП-сенсоры пока не смогут вытеснить ПЗС. К тому же промышленный цикл для систем машинного зрения, которые используют ПЗС, является довольно длинным, и быстро переключиться на другие технологии не получится. Поэтому компаниям, которые до сих пор были клиентами Sony, придётся выбирать альтернативные варианты, например, продукты компаний Teledyne Dalsa, On Semiconductor, e2v, Fairchild Semiconductor.

ПЗС-сенсор Sony для камер 700TVL

Несмотря на все «но», Камбу уверен, что такие глобальные трансформации окажут позитивное влияние и смогут подстегнуть инновации. Аналитик уверен, что для отрасли решение Sony принесёт положительные результаты, а её примеру могут последовать другие. «CCD мёртв, да здравствует CMOS!», — заключает в своём комментарии Yole Developpment.

Ещё в феврале прошлого года компания Toshiba анонсировала выпуск новых 13-Мп КМОП-сенсоров для смартфонов T4K82. Релиз новинки был обещан на сентябрь, но поставки пришлось по неизвестной нам причине отложить. И вот теперь японский производитель, наконец, заявил о старте коммерческого производства.

Toshiba

Главной отличительной особенностью T4K82 называется поддержка записи Full HD-видео на скорости 240 к/с, что, по утверждению Toshiba, является самым высоким показателем в отрасли. Сенсор использует технологию задней подсветки (BSI) и поддерживает функцию Bright Mode, повышающую яркость изображения в четыре раза (что актуально при высокоскоростной съёмке, когда время экспозиции кадра слишком короткое). Помимо высокоскоростной Full HD-съёмки, T4K82 также поддерживает съёмку QVGA на скорости до 900 кадров в секунду.

Toshiba

Новая модель выполнена в формате 1/3,07”, имеет диаметр пикселя 1,12 микрона, а площадь сенсора составляет 8,5 × 8,5 мм. Новинка поддерживает такие режимы съёмки:

• 13 Мп (4208 × 3120 пикселей) на скорости 30 fps;
• 4K2K (3840 × 2160 пикселей) на скорости 30 fps;
• Full HD на скорости 240 fps;
• HD на скорости 240 fps;
• WVGA на скорости 480 fps;
• VGA на скорости 480 fps;
• QVGA на скорости 900 fps.

Напомним, ранее в этом месяце Toshiba также выпустила 20-Мп сенсор T4KA7 для смартфонов и планшетов.