索尼CMOS，不再一家独大？

2020年8月，当时市场研究机构Omdia的数据显示，索尼和三星之间的CMOS图像传感器的全球市场份额差距已大大缩小。

索尼的全球市场份额在2019年第三季度高达56.2％，后续却一路走低，在2020年第二季度下降至42.5％。但三星的市场份额不降反升，从16.7％上升至21.7％，和索尼的份额差距从39.5个百分点缩小至20.8个百分点。

同年另一个研究机构Yole的市场数据也显示，索尼市场份额缩小至40%，三星份额扩大至22%，而豪威也增长至11%，两家合力从索尼身上割肉。

当时也有不少媒体发出了感慨，索尼作为市场龙头的风采不再，三星和豪威后来者居上，有望瓜分索尼大部分市场份额，索尼半导体部门危矣，日本半导体又一次被韩系厂商击落。

如今已经是2023年下半年，三年时间过去，如今的图像传感器市场又是怎样一番景象呢？

根据Yole发布的最新数据，2023年CIS市场具体厂商排名中，索尼继续稳坐第一的位置，其市场份额回升至42%；排名第二的是三星，市场份额降至19%；豪威集团（Omnivision）的市场份额则回落至11%，接近疫情前的水平。

索尼收复了疫情前的大部分失地，而三星和豪威辛辛苦苦好几年，一朝回到疫情前，甚至还把一部分市场份额拱手让给了其他厂商，这是很多人未曾设想的情景。

索尼的CIS究竟出现了什么问题，让三星和豪威侵蚀了市场，又是凭借什么能够持续占据近半壁江山而不动摇呢？

从CCD到CMOS

索尼和图像传感器的缘分始于七十年代，当时，美国贝尔实验室又发明了CCD （电荷耦合元件），而在次年，索尼的一位工程师就对这项技术产生了浓厚兴趣，并开始了对CCD的研究。并成功用64像素的CCD完成了字母“S”的投影，此事最终得到了索尼高层的重视，并正式立项，CCD作为“电子眼”的开发工作自此开始。

索尼的CCD研发部门开始思考：“能否研发出一种半导体，可以将从镜头射入的光转换为电气信号，并用该信号制作出图像。”“如果可以以较低的成本制作出CCD图像传感器，摄像机的价格也会相应地降低。如此一来，摄像机会普及至普通家庭，摄影、摄像会成为普通人的乐趣，成为人们生活的一部分。”

在索尼开发CCD的过程中，几乎所有进行同样项目的竞争对手，都因为技术难度太大选择了退出，而索尼则是在压下了内部的质疑声后，用MCZ结晶方法克服了像素中灰尘污染的问题，成功在厚木市工厂开始生产12万像素CCD。

1979年，新型CCD以“ICX008”的名义开始商业化（截至此时索尼在该项目总投资已达200亿日元），1980年初，世界上第一台CCD相机——XC-1正式诞生，这台相机曾拍摄了全日空巨型飞机的起飞、着陆情况，并放映给机舱内乘客。

不过，此时由于还未建立无尘洁净室，CCD易受到污染，从而导致产量极低，完成订单二十六台相机所需的五十二个CCD芯片需要花费一年时间，单块芯片的售价也高达317000日元。

在排除万难解决洁净问题后，1983年索尼终于实现了CCD的大规模生产，并于1985年初推出了首款搭载25万像素CCD芯片的8毫米家用摄像机——CCD-V8。1989年，索尼发售8毫米摄像机一一“CCD-TR55”，并大获成功、风靡一时，该机型极其轻巧，重量仅为790克，是名副其实的“Handycam（掌中宝）”。此次成功成为了索尼图像传感器业务获得飞跃的契机。

1996年，索尼推出了Cyber-shot系列的DSC-F1，搭载35万像素CCD的它成为了索尼第一款数码相机，同年索尼还宣布了正式开发CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，即CIS）。

2000年，索尼成功生产出了自己的第一款CMOS图像传感器（IMX001），对于索尼来说，CMOS具有一些CCD所不具备的优势，即低功耗、低成本、高速率，更广的适用范围让它成为了新时代的宠儿。

索尼此时面临着和当初英特尔一样的抉择，保大还是保小的难题又一次摆在了大家面前，后者曾果断放弃DRAM，全力押注CPU，最终成为半导体霸主，而前者此时还在CCD市场中占据最大份额，相机厂商还在不断追加订单，面对新技术和旧技术打架的情况，索尼思虑了良久，最终还是选择了未来前景更广阔的CMOS。

2004年，索尼决定停止投资增加 CCD 的产量，将后续投资重点放在开发 CMOS 图像传感器上，而在全面转向CMOS之后，索尼在该领域的技术更新几乎达到了井喷式的地步：

2007年，索尼将配备独特列A/D转换电路的CMOS图像传感器商业化，实现了高速和低噪声；2009年，索尼将背照式CMOS图像传感器商业化，其灵敏度是传统产品的两倍，性能已经超越了人眼；2012年，索尼将堆叠式CMOS图像传感器商业化，通过像素部分和信号处理部分的堆叠结构实现了高分辨率、多功能和小型化，并于2015年在全球率先将其商业化……

虽然听上去很轻巧，但索尼的CMOS之路走得比CCD要坎坷得多，原因无他，固守CCD市场的日系厂商目光远没有后来那么长远，和90年代的五大日本半导体厂一样，既然在自己一亩三分地能够活得滋润，那为什么要冒着风险去尝试自己所不熟悉的领域呢？

CMOS技术的天时还在美国，1990年代早期，位于美国加州Pasadena的JPL开始CMOS图像传感器的研究，最终1990年代中期催生了Photobit公司，并于2001年被美光半导体（Micron Technology）收购。

在收购之前，Photobit 的 CMOS 传感器已经搭载于罗技和英特尔生产的网络摄像头之中，由于技术大部分源于美国，美光和豪威更容易获取到技术授权，早期 CMOS 传感器市场也由这部分美国制造商主导，在经历日本厂商的长期统治后，美光和豪威短暂地夺回了市场份额。

不过CMOS最终还是需要一个广阔的应用市场，而美国此时已经没有大规模的数码相机厂商来和日系厂商竞争了，根据Yole的调查，2009年时CMOS市场排名前五的厂商，分别是Aptina imaging（美光子公司）、索尼、三星、豪威和佳能，美日韩三分市场。

真正改变美日厂商之间对比，是消费市场的风向转变，智能手机的崛起，迅速挤压着数码相机的生存空间，数码相机从全球年销量1亿余台快速滑落，而智能手机却以一条陡然上升的直线，迅速成为了所有传感器厂商眼中的香饽饽。

而早期智能手机里，最受关注的自然就是苹果iPhone，得iPhone者得CMOS天下，而苹果的选择呢？

初代iPhone和iPhone 3G选择的是美光旗下的Aptina imaging，这一点倒也不难理解，作为美国本土公司，又是CMOS市场的领导者，拥有着更为成熟的技术，成本相对也较低，成为合作伙伴似乎就是水到渠成的事情。

但美光在2008年之后遇到了大难题，韩系厂商在内存上搞起了反周期投资，尔必达走到了破产的边缘，美光也没好到哪里去，最终不得已拆分Aptina imaging，母公司都没钱了，子公司当然也没什么机会对技术进行更迭了。

苹果的第二任是豪威，iPhone 3GS和iPhone 4均搭载了豪威的传感器，同样是美国的CMOS厂商，选择它的理由简单而又粗暴，豪威的传感器支持自动对焦，而前两代使用 Aptina 传感器的 iPhone 均为固定焦点，不支持自动对焦，都智能手机了，不支持自动对焦就像是瘸了一条腿，也没办法让消费者满意。

而苹果最后一任也是现任，就是索尼了，从iPhone 4s到最新的iPhone 14 Pro Max，后置摄像头清一色的索尼，从上图的我们也能看到，索尼在背照式传感器上的发展明显比OV更快，前一代刚爬升至500万像素，后一代索尼已经能做到800万像素，单个像素尺寸做到了1.4微米，因而得到了苹果的青睐。

上了苹果这艘大船后，索尼的CMOS可谓是顺风顺水，随着iPhone在全球的热销，迅速带起一股索尼CMOS图像传感器的风潮，从国内的华米OV，到海外的三星LG等厂商，纷纷用上了索尼牌CMOS，而索尼也自此确定了业界的霸主地位。

精益求精的CMOS

事实上，索尼能够在CMOS发展里做到后来者居上，天时地利缺一不可。

天时指的是半导体周期的变化，迫使美光退出CMOS传感器市场，而地利呢，就是索尼在图像传感器领域作为IDM厂商的优势，OV作为Fabless厂商，依靠的是台积电代工，难以快速迭代技术，迅速在智能手机市场中掉队。

而索尼产研一体，能够迅速针对市场变化推出相对应的产品，如2012年索尼首创的堆栈式CMOS图像传感器：

图像传感器主要由两部分构成，像素部分是将光转换为电气信号的部分，而线路部分则是处理这些信号的部分，通过技术改良，索尼将两部分安装为同一基板上，使用有信号处理电路的芯片替代了之前常见的背照式CMOS图像传感器中的支持基板，在芯片上重叠形成背照式CMOS元件的像素部分，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。

更关键的是，由于像素部分和电路部分是独立设计的，因此像素部分可以针对高画质优化，电路部分可以针对高性能优化，在保证影像画质的前提下，还能大幅提升成像速度，同时还缩减了传感器体积，天然契合于智能手机，在2012年Find X5首发之后，迅速在主流手机厂商中得到普及，IMX加后缀的传感器成为了旗舰代名词。

2017年，索尼又在原先双层堆栈的结构上，再增加一层DRAM芯片——用以提升CMOS数据处理速度，从而推出了三层堆栈式产品IMX400。

相较于双层堆栈，三层堆栈最大的特点就是在像素和电路层中间，加入了DRAM层，为了实现高速数据读取，用于将模拟视频信号从像素转换为数字信号的电路从2层结构倍增到4层结构，以便提高处理能力，而使用DRAM来临时存储高速读取的信号，使得能够以标准规格中的最佳速度输出数据。

根据索尼官方提供的数据，配备了DRAM的传感器可实现快速数据读取速度，能够捕获高速运动中的物体的最小失真度的静止图像，还支持在全高清（1920 x 1080像素）模式下拍摄1000帧/秒（约比传统产品快8倍）的视频，实现超慢回放。

当年索尼的Xperia XZ Premium在搭载了IMX 400的情况下，可以完成960帧的慢动作视频录制，将只有专业设备才具备的功能带到了小巧的手机之上，而且这项功能仅限于索尼CMOS，同时期的三星豪威并没有对标的产品。

2021年12月，索尼宣布成功开发出全球首创的CMOS图像传感器技术，新技术能够有效解决阴暗差（例如背光环境）场景和光线不足（例如夜间环境）场景的各种问题。

之前的堆栈式CMOS的光电二极管和像素晶体管分布于同一基片，而索尼这项新技术则将两者分离在不同的基片层，从而使得对这两者的独立优化成为了可能；进而让饱和信号量得到翻倍提升，并扩大了动态范围。

此外，因为传输门以外的像素晶体管，包括复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管，都处于无光电二极管分布的那一层，所以放大二极管的尺寸可以增加，从而大幅改善了暗光环境下图像容易产生噪点的问题。

根据TechInsights 的拆解，索尼 Xperia 1V 上首发搭载的“双层晶体管像素堆叠式” IMX888，传感器大小为 11.37 x 7.69mmm，总像素为 4800 万，单个像素间距为 1.12 µ m ，每一个像素都采用左右光电二极管分列的结构，以实现 PDAF 对焦。

拆解显示，IMX888有三层有源硅，图像信号处理器（ISP）使用直接键合接口（DBI）堆叠到 “第二层”CMOS 图像传感器（CIS）上。图 1 显示了阵列的 SEM 截面图。光线通过微透镜和彩色滤光片从图像底部进入。每个像素由光栅（复合层）隔开，以提高量子效率。每个光电二极管之间采用前端深槽隔离。该层还有一个平面传输栅，用于将光电电荷从二极管传输到浮动扩散区。

第一层之上是“第二层”硅，每个像素包含三个晶体管：复位、放大器（源跟随器）和选择晶体管。这些晶体管位于第二层硅之上，通过“深接触”实现与第一层的连接，并穿过第二层，基本上形成了一个硅通孔（TSV）。最后，ISP 位于第二层的金属化层上，采用混合（直接）键合方式连接。

这种结构的关键在于一种工艺，它能承受产生热氧化物和激活第二层注入所需的热循环。索尼公司详细介绍了这一工艺（IEDM 2021，“CMOS 图像传感器的三维顺序工艺集成”）。

图2 显示了该工艺，第一层光电二极管和透射栅极形成后，对第二层进行晶圆键合和减薄。只有这样才能形成第二层栅极氧化物并激活注入。最后，形成深度接触，蚀刻穿过第二层，接触到器件的第一层。

图 3 更详细地显示了第一层和第二层之间的界面。透射栅极（图中的 TG）与第二层的第一金属层相连。稍长的深触点位于样品表面以下，在图像中部分可见。它们连接第一层和第二层之间的浮动扩散节点。次局部连接（低于样品表面）用于将第一层上方的四个光电二极管与复位场效应晶体管的源极和 AMP（源极跟随器）场效应晶体管的栅极互连。

图 4 详细讨论了次局部连接。这是底层第一层的平面 SEM 图像。黄色方框勾勒出像素轮廓，PDL 和 PDR 分别代表左右两个光电二极管。每个像素覆盖一个微型透镜。它表示次局部连接，用于连接两个像素的浮动扩散和四个像素的接地。

TechInsights表示，索尼采用双层结构有多方面的优势，首先，即使像素间距缩小，也能保持光电二极管的全部阱容量，而后，亚局部接触的使用减少了浮动扩散的电容，提高了像素的转换增益，最后由于第二层的可用面积增加，AMP（源极跟随器）晶体管的面积也随之增加，从而降低了器件通道中产生的噪声（闪烁和电报）。

索尼VS三星VS豪威

对于索尼来说，“双层晶体管像素堆叠式”可谓是继三层堆栈式之后又一大技术上的利器，也有消息称今年的iPhone 15有望搭载采用这一技术的CMOS，如果最终得以成行，那么索尼传感器部门有望迎来新一轮的高速增长。

不过，索尼的最大的问题依旧出在自身，产研一体的模式固然让索尼在CMOS早期的市场中占得先机，以最强势的姿态夺走了美光和豪威的市场份额，甚至同室操戈，压制住了日本本土的其他的传感器厂商。

但当产业落后于研究时，曾经的优势一下子就变成了绊脚石，早在2019年，三星电子就推出了0.7μm级像素工艺产品，基于0.7μm级像素工艺加工而成的1.08亿像素传感器，与使用0.8μm级像素工艺的传感器相比，最多可以减少15%的体积，摄像头模组的高度最多可以减少10%，从而在一定程度上解决摄像头凸起的问题。

而索尼呢，2018年发布行业首个0.8μm像素图像传感器（IMX586），四年后才终于推出了自家首个0.7μm像素图像传感器方案 IMX758（搭载在 vivo X90 Pro+ 上），三年多的空白，等于把亿级像素的市场拱手让给了三星，且目前三星的ISOCELL HP1已经做到0.64μm像素，HP3达到了0.56μm像素，以往索尼能够自傲的高像素，反倒成为了它落后的标志。

当然，不止三星，豪威在去年就发布了0.56μm的2亿像素图像传感器OVB0A，当索尼的1亿像素姗姗来迟之际，对上的却是隔壁两家开始普及的2亿像素。

而背后的原因非常简单，一块CMOS通常分成模拟层、数字层以及DRAM 层，模拟层一般由索尼自己生产，而数字层以及DRAM层则会找如台积电等代工厂生产，这种模式在智能手机发展的初期并没有太多问题，因为彼时大部分手机传感器都停留在2000万像素之下，但当索尼推出IMX586之后，高像素加多像素合一的模式瞬间就热门赛道，三星和豪威加入到这场新的战争之中。

这时候索尼就发现问题了，自家的晶圆代工厂依旧停留在65nm工艺，也就是说模拟层只能用65nm工艺，而隔壁三星有自家半导体部门主力，豪威背靠台积电这颗大树，这两家轻松用上了28nm制程的模拟层，而索尼则是看着自家不成器的代工厂，陷入了只能干瞪眼的尴尬境地。

另外，由于模拟层是自产自销，因而自家代工厂的产能也是一个问题，隔壁三星和豪威背后有一堆代工厂可以依靠，而索尼自己的代工厂在早期小尺寸CMOS大行其道时还算够用，在高像素大底流行起来后，产能彻底跟不上了，而额外产线也不是说加就能加的，在新的工厂竣工前，同样只能干瞪眼。

可以说，索尼的CMOS崛起之路，颇有些日本工匠精神在里头，不断推陈出新的技术，让它受到了手机厂商的青睐，不论是堆栈式，还是0.8μm的高像素，都引一时潮流，让三星和豪威竞相追赶。

但索尼CMOS的至暗时刻，同样沿袭了日本半导体，高超的技术无法弥补制程工艺上的差距，早期的顺风顺水让它失去了长远目光，既没有与台积电进一步合作，也没有升级自己的工艺，最终这部分债，花了三四年时间都没有完全还清。

知名果链分析师郭明錤近日爆料称，苹果iPhone 15标准版的高端CIS将升级到48MP并大量采用新设计，因良率低故索尼不得不将分配给苹果手机的CIS产能提升100～120%以满足需求，导致安卓高端CIS供应大幅下降。

而这又一次给了其他厂商机会，郭明錤表示，豪威的高端CIS（64MP+）订单将自2023年下半年开始显著增长，其高端CIS市占率，预计将自2023年的3～5%，分别增长至2024年与2025年的10～15%与20～25%，有利长期目标与利润增长。

如此看来，恐怕只有熊本的工厂正式开工，索尼传感器才能真正坐上高枕无忧的日子吧。

参考来源

1. CMOS Image Sensor Technologies & Markets - 2010 Report——Yole

2. History of Sony's Semiconductors——Sony

3. Sony’s World-first two-layer image sensor: TechInsights preliminary analysis and results——Image Sensors World

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸琦