東北大学は、120dBという広いダイナミックレンジと、光量に応じた適切な信号のみを選択的に読み出す機能を備えた、3次元積層型CMOSイメージセンサー(CIS)を開発。CISの高性能化や小型化、低消費電力化に寄与することが期待されるとしている。

  • 今回開発したCMOSイメージセンサーのチップ写真と画素断面図

    今回開発したCMOSイメージセンサーのチップ写真と画素断面図

この研究成果は、東北大学大学院工学研究科電子工学専攻の瀧澤康平大学院生と、未来科学技術共同研究センター・大学院工学研究科の黒田理人教授らの研究チームによるもの。開発技術の詳細は、米国サンフランシスコで開催された国際会議「IEDM2025」(International Electron Devices Meeting)において12月10日に発表されている。

CMOSイメージセンサーは、車載分野やマシンビジョン分野のセンシング用途において、機械の「目」としての役割を持ち、さらなる高性能化への要求が高まっている。

研究チームは今回、露光中にフォトダイオード(PD：Photodiode)からあふれた光電荷を蓄積する横型オーバーフロー蓄積容量(LOFIC)を、画素毎に2段設けてダイナミックレンジを120dBまで拡大するとともに、光量に応じて適切な信号を読み出す「光量適応信号選択機能」を実現。ダイナミックレンジと読み出し信号数のトレードオフ解消を実証した。

さらにイメージセンサーチップに3次元積層技術を適用し、「前例のない単位面積当たりの飽和電子数」である、276.8 ke-/μm2という数値を達成した。飽和電子数とは、広ダイナミックレンジ化や高いSN比(信号対雑音比)に結びつく指標のことを指す。

一般的に、高照度時などイメージセンサーに入射する光量が大きい場合、光電変換で発生する電荷数が多くなるため、PDに蓄積し切れずにオーバーフローして捨てられることになる。このオーバーフロー電荷を、大きな画素内容量に蓄積して信号電荷として使用するLOFICを入れることで、より広いダイナミックレンジを得る、つまり白飛びを抑えて鮮明に撮像できるようになる。

ダイナミックレンジとは、イメージセンサで検出できる「最も明るい光」と「最も暗い光」の範囲を指す。明暗差が大きい被写体を撮影するときは、ダイナミックレンジが広いほど白飛びや黒つぶれを防げる。