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Sony Stacked CMOS : la prochaine révolution des capteurs photo

Sony est aujourd’hui le grand leader du marché des capteurs photo avec une part d’environ 37 %. Sony fut notamment un précurseur de la technologie de CMOS rétroéclairé (BSI CMOS ou Backlight CMOS, ou Exmor R chez Sony) qui a permis une nette augmentation de la sensibilité des capteurs d’appareils compacts ou de smartphones. Sony a dans ses cartons une technologie qui pourrait provoquer un saut qualitatif similaire : le CMOS empilé, ou stacked CMOS.

L’idée, illustrée dans le schéma ci-dessous est de placer les photosites (les zones sensibles à la lumière) du capteur et leurs transistors de commandes associés sur deux couches de silicium séparées placées l’une en dessous de l’autre, et non plus sur la même couche. Pourquoi ? Les raisons de Sony sont multiples. Selon le fondeur, les processus de fabrication des photosites et de leurs transistors associés ont des impératifs antagonistes. Par exemple, la formation des pixels implique un traitement à chaud du silicium, ce qui dégrade les caractéristiques des transistors. Autre exemple : Sony est forcé aujourd’hui d’utiliser la même finesse de gravure pour les photosites et les transistors (65 nm) alors que les transistors pourraient être gravés plus finement, en 45 nm.

Image 1 : Sony Stacked CMOS : la prochaine révolution des capteurs photo

Graver les photosites sur une couche séparée permet donc d’optimiser la fabrication de chaque élément et donc les performances globales. En outre, l’empilement diminue la surface occupée par le capteur tout en libérant plus de place pour les transistors. Le Stacked CMOS permettrait selon Sony d’intégrer des DSP directement sur les capteurs 1/2,3″ ou 1/3,2″ (typiquement utilisés sur les compacts). Les capteurs 1/4″ des smartphones verraient leur encombrement réduit de 30 %.

Image 2 : Sony Stacked CMOS : la prochaine révolution des capteurs photoSoit, mais en pratique, pour l’utilisateur, quel intérêt ? Deux innovations majeures. La première, l’utilisation de capteurs RGBW, possédant des photosites blancs. L’absence de filtre coloré sur ces sous-pixels les rend plus sensibles à la lumière. Les capteurs RGBW sont donc plus sensibles. En contrepartie, ils délivrent un moins bon « piqué ». Mais Sony promet que l’ajout d’un DSP dans le capteur chargé des algorithmes adéquats compense ce défaut. Seconde innovation, un mode HDR intégré. Là encore, c’est l’ajout de circuits supplémentaires qui permet de réaliser deux expositions quasi simultanées au lieu d’une seule et de les combiner automatiquement. La fonction est moins originale (les appareils et smartphones récents possèdent presque tous un mode HDR) mais elle ne nécessiterait plus aucune intervention d’un programme ou d’un processeur externe. On devrait donc la retrouver en standard même sur des modèles premier prix.

Mieux encore, le stacked CMOS n’est pas une chimère : un premier capteur (1/3,06″, 13 MPix) va entrer en production ce mois-ci, un second (1/4″, 8 MPix) débutera au mois d’août. On devrait donc les découvrir dans des produits vers la fin de l’année ou dans les smartphones de 2013.