1，背照式技術（Gen1架構(gòu)）

前照式的CMOS圖像傳感器中，當光經(jīng)過微透鏡和顏色過濾器后還要經(jīng)過金屬布線層，才能到達光電二極管處并開始累積光生電子。

在光電二極管的旁邊還有負責臨時存儲光生電子的區(qū)域，于是為了防止存儲區(qū)域中的電荷信號漏光便有了“遮光罩”的設計，而那些金屬布線層正是位于這個遮光罩的上面。

也就是說，由于這個遮光罩是一定要存在的，所以金屬布線層設計在其上面就可以充分利用像素內(nèi)之縱向空間，而這就是前照式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

但是隨著2005年后，諾基亞和索尼愛立信都在手機鏡頭上互飆像素量，手機CMOS傳感器的總像素量就變得越來越高了。

于是在手機傳感器的底緩慢變大之情況下，像素尺寸就變得越來越小，這時候前照式結(jié)構(gòu)的缺點便開始顯現(xiàn)出來。

首先就是金屬布線層在受到光照時會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，本來像素尺寸越小進光量就越小，有了光損后劣勢就更明顯了。

然后就是衍射這個棘手問題了，因為金屬布線層所覆蓋區(qū)域其比例是保持不變的，所以隨著像素尺寸的縮小光通道就會變得越來越窄。

當光通過的區(qū)域變小后衍射現(xiàn)象就會增強，最終這個衍射影響便會結(jié)合金屬布線層的反射影響，讓旁像素受到嚴重光串擾而使圖像中的顏色混合在一起。

而根據(jù)衍射計算公式可以知道（下圖所示），若要改善單個區(qū)域的衍射問題，就必須縮短微透鏡到光電二極管的距離。

此時若先在形成光電二極管的一側(cè)制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉(zhuǎn)倒置在基板上，接著將上面硅層打薄再覆蓋彩色濾波片和微透鏡，于是便有了背照式結(jié)構(gòu)。

這樣其既可以消除前照式結(jié)構(gòu)中金屬布線層造成的衍射干擾，又能解決金屬布線層因反射而造成的光損問題，從而得以在同一大小像素條件下大幅提高量子效率和進光量！

另外由于金屬布線層被轉(zhuǎn)移到了背面，這樣就可以毫無顧忌地拓展電路規(guī)模，從而大幅提升傳感器的讀取速度——借此實現(xiàn)更高速的連拍和更高清的視頻錄制！

2，堆棧式技術（Gen2架構(gòu)）

雖然背照式技術在2007年已由豪威對外展示了樣品，但真正將基于該技術產(chǎn)品量產(chǎn)的CIS廠家卻是索尼，只不過索尼先量產(chǎn)并商業(yè)化的都是一些相機傳感器。

所以最終率先在手機上應用這個技術的還是豪威傳感器，而其所對應的手機便是蘋果在2010年發(fā)布的一代傳奇型號 iPhone4。

但此時索尼的工程師們在公司CIS業(yè)務蓬勃發(fā)展的同時，還在開發(fā)事關制造成本的新工藝，最終經(jīng)歷了兩年開發(fā)歷程的業(yè)界首款堆棧式傳感器，便在2011年正式量產(chǎn)！

那么堆棧式技術，是怎么降低傳感器制造成本的呢？答案就是小型化。因為一片晶圓上能夠切出的產(chǎn)品數(shù)量越多，那么良率就越高，同時邊緣損耗也會因此而變少。

此外隨著手機影像的發(fā)展，其對于傳感器處理性能之需求也日漸增長——這樣就得增加處理回路的晶體管數(shù)量，簡而言之就是得提高制程，從而在同等面積內(nèi)容納更多的晶體管。

但尷尬的是與處理回路處于同一層的像素區(qū)域，對制程工藝卻并不“感冒”（與像素尺寸有關），這時若采用堆棧式工藝便可將像素層和電路層分開而避免此問題。

此外，處理回路基于自身單層的“獨棟別墅”其規(guī)模便得到了大幅擴張！從而得以配置性能更強、功耗更低的圖像信號處理器以及配套電路，并實現(xiàn)硬件級HDR以及慢動作拍攝等功能。

這時候若不需要考慮成本向的小型化需求，那么分離出電路層的像素層便可在原處理回路區(qū)域種植更多像素，從而在像素尺寸不變的情況下實現(xiàn)“高畫質(zhì)”。

以上就是堆棧式技術，所帶來的多功能、小型化或高畫質(zhì)等特性；而且在堆棧式分離電路層的基礎上，由于像素層依然可以采用背照式技術，所以之前背照式的優(yōu)點也得以全部繼承！

3，進階版堆棧式技術

堆棧式技術的像素層與電路層方案，最初是采用硅通孔技術即 TSV 將兩層連接在一起，這個方案需要在像素層的三邊設置獨立的 TSV 連接層，也就是說小型化做得還不夠徹底。

于是在出貨量連年大增的情況下，索尼于2015年又業(yè)界首創(chuàng)了基于 Cu-Cu 連接（銅互聯(lián)）之 DBI 混合鍵合技術，這樣就不再需要 TSV 連接層從而實現(xiàn)更進一步的小型化。

此外，這個技術還有更短的互聯(lián)距離和更高的互聯(lián)密度等優(yōu)勢，基于此便可提高傳感器的讀出速度。而且該技術無需針對每顆Die進行單獨互聯(lián)，所以其生產(chǎn)效率也有飛躍式提升！

這個基于 DBI 混合鍵合的堆棧式技術就是索尼Gen3架構(gòu)了，后來于2018年索尼又在Gen3架構(gòu)的基礎上，展示了基于像素級銅互聯(lián)的像素直連技術——而這就是索尼的Gen5架構(gòu)。

Gen5架構(gòu)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，皆是得益于 DBI 混合鍵合技術持續(xù)進步所帶來的銅互聯(lián)間距之不斷縮小，最終得以實現(xiàn)將像素層和電路層所需要的銅互聯(lián)連接端子直接嵌入硅片之中。

這樣便可實現(xiàn)上層任意一個像素都能和下層邏輯電路進行直接鍵合高速連接，并直接省去之前分布于四邊的銅互聯(lián)電路連接區(qū)域，于是便成就了最極致的傳感器高速化和小型化！

實際上在Gen5架構(gòu)出現(xiàn)之前的2017年，索尼還業(yè)界首發(fā)了基于三層堆棧式技術的Gen4架構(gòu)，直接在傳感器中加入了容量高達1GB的DRAM層。

有了這個超大緩存載體的存在，那么就可將處理電路的層數(shù)增多以實現(xiàn)高速讀出，從而在拍攝高速運動物體時實現(xiàn)最小失真度的靜止圖像，并支持1080P的1000fps慢動作視頻拍攝。

不過Gen4架構(gòu)依然是 TSV 技術的產(chǎn)物，于是在2019年索尼又推出了基于 DBI 混合鍵合技術的三層堆棧式技術，這便是傳說中的Gen6架構(gòu)。

4，雙層晶體管技術

雖然上述的四種進階版堆棧式技術優(yōu)點很多，但其中唯一在手機端被堅持用下來的只有Gen3架構(gòu)；例如蘋果2017年的iPhone8系列主攝傳感器，就開始引入該技術并一直沿用至今。

有趣的是，這些技術三星手機大部分都用過，只不過其另有圖謀。例如S7和S8時代的Gen3架構(gòu)，S9、S10時代的Gen4架構(gòu)，以及S20、S21時代的Gen6架構(gòu)。

這種合作的深度在業(yè)界十分罕見，因此索尼手機出貨量那么稀少結(jié)果卻能用上三星的M系列屏幕，基本就能解釋通了。不過三星后面卻只玩自己的傳感器，索尼瞬間成了“牛夫人”。

包括索尼在2021年尾開發(fā)成功的雙層晶體管技術，縱使國產(chǎn)手機品牌和蘋果手機都有零星采用，但三星依然不為所動，還是在頂級旗艦 S24 Ultra 上沿用其自家的旗艦傳感器HP2。

當然三星這么強勢也是有底氣的，因為其憑借自身的先進半導體工藝制造能力，不僅大力發(fā)展ISOCELL技術還在超高像素路線方面走得最遠，從而得以在傳感器技術領域自成一派。

不過索尼在傳感器技術領域之霸主地位還是不能撼動的，例如其最新的雙層晶體管技術就是基于堆棧式理念而開發(fā)的指引未來之作，只可惜因為良率低和成本高而暫時難以普及。

至于雙層晶體管的技術原理其實就是針對像素層的又一次分層堆棧，將原先和光電二極管、傳輸晶體管同一層的三種像素晶體管單獨分離出來，從而順利實現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

其中，光電二極管層在更充?？臻g基礎上可大幅拓展光子容量，并同比例拓展傳輸晶體管的傳輸效率和浮置單元的滿阱容量，簡單說就是擴大了代表可成像的明暗差范圍之動態(tài)范圍。

同時，像素晶體管層的放大晶體管基于分層后之充?？臻g尺寸也得以做大，這樣經(jīng)其讀出的轉(zhuǎn)換增益值便可得到更上一層樓的放大效益，從而顯著減少暗光環(huán)境下產(chǎn)生的噪點。

以首發(fā)雙層晶體管技術的索尼IMX888（亦名為LYT-T808）為例，其像素四合一滿阱容量就高達40000e！而一英寸的IMX989其像素四合一滿阱容量也就48000e而已。

也就是說，IMX888以僅為IMX989一半的像素尺寸，就實現(xiàn)了后者83%的滿阱容量！結(jié)合提升非常顯著的前端降噪能力，在底沒增大的基礎上進一步挖掘出了縱向堆棧的巨大潛力。

另外從IMX888的橫截面透視圖中可以看出，連接電路層所基于的還是Gen3架構(gòu)之 DBI 混合鍵合技術，但連接光電二極管層和像素晶體管層所基于的卻是 TSV 技術。