논문 및 센서 리뷰 - ISOCELL HP2에 사용된 삼성의 기술들

원래는 Dual Vertical transfer gate(VTG)가 사용된 VLSI 2022에 투고된 삼성의 논문을 공부하고 리뷰하려했다...ㅎㅎㅎ

하지만 블로그를 작성하다보니 내용 흐름이 바뀌어 이번에는 ISOCELL HP2와 여기에 사용된 핵심 기술들을 논문을 참고하며 리뷰하려 한다.

 

내가 쓰고있는 갤럭시 울트라 22의 최신 버전인 갤럭시 울트라 23에는 ISOCELL HP2 이미지 센서가 탑제되어있다.

출처 - https://www.samsung.com/

광각 카메라에 사용되는 ISOCELL HP2는 200MP 즉, 2억 화소를 뜻하며 0.6μm 픽셀들로 이루어져있다.

 

ISOCELL HP2는 삼성에서 밀고 있는 핵심 기술들이 들어가있다.

Backside illumination, Deep trench isolation 등등... 대표적인 기술이 많이 있으나 이번에는 크게 3가지를 리뷰하려 한다.

 

1) Tetra^2 픽셀

Bayer color filter array를 기반으로 4x4배열을 갖는 픽셀 배열을 뜻한다.

테트라제곱 픽셀 이라고 읽을법도 한데, 삼성전자에서는 "테트라 스퀘어드 픽셀" 이라고 부른다.

장점으로는 첫번째로 감도가 오르게 된다.

지속적인 pixel shrinking으로 픽셀 사이즈가 계속작아졌고 ISOCELL HP2에서는 0.6μm가 되었다.

0.6μm는 적색 파장(약 650nm)과 거의 비슷하거나 오히려 더 작다.

따라서 회절한계에 의해 빛이 제대로 픽셀 안으로 들어가지 못해 광학적 손실이 발생해 감도가 열화된다.

이에 따라 Quad CF array와 같은 구조로 2x2배열을 사용하곤 했는데, HSOCELL HP2에서는 한발 더 나아가 4x4배열을 쓴것으로 보인다.

이전 삼성의 논문들에서 0.56, 0.5μm 사이즈의 픽셀들이 제안되긴 했는데 아직 상용화가 되지 않았다. 개인적인 생각으로, 그 이유중 하나로는 빛이 들어가기에 픽셀들이 너무 작은것이 문제가 되었을 것으로 예상된다.

 

또한 다른 장점으로 HDR(High dynamic range)에 유리하다. 4x4배열의 픽셀들을 4분할로 나누어 빛에 노광되는 시간을 다르게 함으로써, 저조도일때 이미지 품질 개선이 가능하다. 

이와 같이 사용되는 삼성의 기술로 Dual conversion gain이 있다. 이 기술은 삼성의 2019 IDEM 논문에서도 언급 되었는데, Reset gate 옆에 추가적인 TR을 놓아줌으로 Full well capacitance에 변화를 줄 수 있다.

Dual conversion gain을 위한 픽셀 개략도, 출처 - Park, Donghyuk, et al. "A 0.8 µm smart dual conversion gain pixel for 64 megapixels CMOS image sensor with 12k e-full-well capacitance and low dark noise."  2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) . IEEE, 2019.

그런데..... ISOCELL HP2에는 Triple conversion gain이 사용되었다. 아래의 그림을 보면 고조도, 저조도 뿐만 아니라 middle CG로서, 중조도(?)의 구현도 가능하게 된다.

Conversion gain의 영역이 넓어지게되면 얻을 수 있는 이미지의 폭이 넓어지기 때문에 후처리를 통하여 더 높은 화질의 이미지를 얻을 수 있을것이다.

Triple conversion gain을 위한 픽셀 개략도, 출처 - Yun, Jungbin, et al. "A 0.6㎛ Small Pixel for High Resolution CMOS Image Sensor with Full Well Capacity of 10,000 e-by Dual Vertical Transfer Gate Technology."  2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits) . IEEE, 2022.

 

2) 슈퍼 QPD(Quad Phase Detection)

소니에서는 2x2 OCL이라고 부르는 픽셀 구조에 PDAF(Phase detection auto-focusing) 방식을 사용해 모든 픽셀이 AF 기능을 수행할 수 있는 구조이다.

Sony의 2x2 OCL구조 및 pixel arrays, 출처 - Okawa, Tetuya, et al. "A 1/2inch 48M all PDAF CMOS image sensor using 0.8 µm Quad Bayer coding 2× 2OCL with 1.0 lux minimum AF illuminance level."  2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) . IEEE, 2019.

삼성은 이전부터 위 그림에서 (c)에 해당하는 Dual photodiode(DPD)도 함께 개발해왔다.

하지만 이번에는 (D)에 해당하는 QPD를 사용했다.

QOD의 장점으로는 우선 전방향 위상 추적이 가능하다. vertical한 방향의 위상 추적은 위 2개, 아래 2개의 PD의 감도를 비교하면되고, horizental한 방향의 위상추적은 좌 2개, 우 2개 PD의 감도를 비교하면 된다.

또한, DPD는 직사각형이라 pixel shrinking에 조금 불리한 측면이 존재할것으로 예상된다. 따라서 고해상도를 이미지 구현에도 QPD가 더 유리할 것이다.

 

전방향 위상추적 DPD 픽셀의 개략도, 출처 - Pyo, Junghyung, et al. "A Smart Dual Pixel Technology for Accurate and All-Directional Auto Focus in CMOS Image Sensors."  Proc. of the International Image Sensors Workshop . 2021.

추가적인 내용으로 위 그림처럼 DPD도 PD 사이에 삽입되는 In-pixel DTI를 비스듬하게 탑재하여 전방향 위상추적 기능 적용이 가능하다.

 

3) Dual vertical transfer gate

ISOCELL HP2 센서에 사용된 대표 기술 중 하나이다.

Vertical Transfer gate에 대한 내용을 주제의 논문이 2022 VLSI에 투고되었다.

출처 - Yun, Jungbin, et al. "A 0.6㎛ Small Pixel for High Resolution CMOS Image Sensor with Full Well Capacity of 10,000 e-by Dual Vertical Transfer Gate Technology."  2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits) . IEEE, 2022.

 

VTG에 대해서는 좀 더 자세히 다룰 필요가 있을 것 같다.

오늘은 여기까지만 하고 이 부분은 따로 포스팅 해야겠다.