ナノプリズム：ピクセル微細化時代の光学構造革新

モバイルイメージセンサの進歩は、結局、ピクセル技術の進化と直結しています。より小さく、より薄いデバイスにおいても、高品質の画像を実現するための市場の要求はますます厳しくなっており、それに伴い「微細ピクセル」技術はモバイルイメージセンサ産業の重要な課題として浮上しています。

このような流れの中で、サムスン電子システムLSI事業部は、微細ピクセルイメージセンサ分野で蓄積した経験を基に、新しい技術の進展を続けています。最近発売されたモバイルイメージセンサのISOCELL JNPは、世界で初めてナノプリズム（Nanoprism）を適用し、ピクセルの物理的限界を再び超えました。

メタフォトニクス（Meta-Photonics）技術をイメージセンサに初めて適用した技術であるナノプリズムが、どのように誕生し、ISOCELL JNPにどのように実装されたのかをご紹介します。

ピクセルはより小さく、光はより多く

イメージセンサにおいて、感度は鮮明でリアルな画像を実現するために不可欠な要素です。可能な限り多くの光を捉えるために、ピクセル技術は長い間進化を続けてきました。FSI（Front Side Illumination）からBSI（Back Side Illumination）への進化、DTI（Deep Trench Isolation）などの多様な技術がその例です。

特に、スマートフォンのカメラモジュールのサイズが大きくなることなく、高解像度画像を実現するためにピクセルをますます小さく作る方向で技術が発展してきましたが、その結果、単位ピクセルの感度が低下し、ピクセル間のクロストークにより画質が低下する問題が発生しました。そのため、低照度環境では画質が急激に低下するという限界を避けることができませんでした。

このような問題を解決するため、サムスン電子は、ピクセル間に物理的な障壁を設けたFDTI（Front Deep Trench Isolation）を導入し、ピクセル上部のカラーフィルターまで隔離するISOCELL 2.0 も開発しました。さらに、従来の構造では受け入れられなかった周辺光まで活用できるように、ピクセルの光学構造自体を革新するアプローチを考えました。このような熟考の末に誕生したのが、ナノプリズム技術です。

サムスン電子のピクセル技術に関する詳細は、下記のリンクから確認できます。

ピクセル技術

光を分散させてより多くの光を集めるナノプリズム

ナノプリズムという技術は、サムスン電子SAIT（Samsung Advanced Institute of Technology）が長年蓄積してきたメタフォトニクス技術を基に、2017年に世界で初めて提案された新技術です。当時、メタフォトニクス研究で盛んだった光の分散を最小化するメタレンズ（metalens）研究とは異なり、分散を最大化して色を分離するという逆の発想を活用しました。ナノプリズムは、色分離機能を実行できるメタサーフェス（meta-surface）ベースのプリズム（prism）構造です。

では、従来のピクセル構造とは何が変わったのでしょうか？従来のマイクロレンズ（microlens）ベースの光学系では、マイクロレンズとピクセルのカラーフィルターが1:1でマッチングされ、各ピクセルのカラーフィルターに対応する色の光しかピクセルに受け入れることができませんでした。つまり、決められたピクセルの大きさ分だけしか光を受けられないという物理的な限界があったのです。

しかし、ナノプリズムはマイクロレンズの位置にナノスケールの構造を設け、光が各色に合ったピクセルに向かうように最適化された光経路を設定します。簡単に言えば、従来なら色が合わずに失われていた光を、光の屈折と分散特性を利用して隣接するピクセルに送ることができるようになり、各ピクセルが受け入れる光の量が増加するのです。ナノプリズム技術により、従来のマイクロレンズ構造と比較して、ピクセルがより多くの光を受け入れられるようになり、ピクセルが小さくなることで生じていた感度の低下問題を改善することができました。

ナノプリズムをイメージセンサに適用するまで

モバイルイメージセンサにメタフォトニクス技術を適用し、商用化することは容易な挑戦ではありませんでした。製品を実際に使用する顧客からの信頼と技術的な完成度を同時に確保することが不可欠だったからです。製品が正常に機能するためには、ナノプリズムという構造を実装するだけでなく、数十種類の性能指標を満たす必要がありました。サムスン電子は、設計-プロセス-測定のループを設計初期段階からさまざまなシナリオを考慮に入れ、信頼性の高い検証手順を確立するなど、性能を確保するための最善の努力を払いました。

ナノプリズムという名前が示す通り、ピクセルに数十ナノメートル（nm）サイズの精緻で複雑な構造物を実装する必要があったため、プロセス開発から量産まで多くの困難がありました。新技術の実装のために、これに特化したCMP（Chemical Mechanical Polishing）プロセスや低温プロセスを新たに開発し、TDMS（Thermal Desorption Mass Spectrometry）技術など特殊な技術と方法が導入されました。

より明るく鮮明な画像を可能にするISOCELL JNP

ナノプリズムが適用されたISOCELL JNPは、今年量産を開始し、最近のスマートフォンにも搭載され、ユーザーエクスペリエンスの向上に貢献しています。より多くの光を損失なく受け入れることができるため、特に暗い環境でも明るく鮮明な写真撮影が可能になりました。実際に、ナノプリズムが適用されたISOCELL JNPは、同仕様の前作であるISOCELL JN5と比較して感度が25％向上しました。

もちろん、イメージセンサのサイズを大きくすることで、カメラの全体的な性能を高めることは可能ですが、モバイルデバイスではカメラの出っ張りなどのデザイン的制約があるため、イメージセンサのサイズを無限に大きくすることは困難です。サムスン電子システムLSI事業部は、この限界をナノプリズムを通じて正面から突破しようとしました。ピクセルがさらに小さくなる状況でも、この技術を通じて各ピクセルの感度と色再現性を向上させ、初めて適用されたのがISOCELL JNPです。

当製品に関する詳細は、下記のリンクから確認できます。

ISOCELL JNP製品ページ
 

モバイル市場では、高解像度画像を実現するためのニーズは続くでしょう。それに伴い、ピクセル微細化のトレンドは続き、ピクセルが小さくなっても高い感度、量子効率の確保、ノイズの低減などを実現するためのピクセル技術の進化が求められます。ナノプリズムはその中でも感度を高めるための技術であり、サムスン電子はこれを主軸に、従来の物理的限界を超える新しい革新に向けて進んでいきたいと考えています。

今後も、サムスン電子はさまざまな部門間の協力を通じて、次世代イメージセンサ技術の新しい可能性を共に模索していく予定です。

* 掲載されているすべての画像はイメージであり、実際の製品とは異なる場合があります。画像はデジタル処理、修正、または加工されています。

* すべての製品仕様は社内テスト結果に基づくものであり、ユーザーのシステム構成により変動する可能性があります。実際の性能は使用条件や環境によって異なる場合があります。