市调机构Yole Développement日前与其合作伙伴System Plus Consulting联手, 拆解了Apple iPhone X内部的TrueDepth模组, 《EE Times》有幸访问了Yole的看法. 他们推论在这款模组的近红外线(NIR)影像传感器中采用了绝缘层上覆硅(SOI)晶圆, 而且, 该SOI对于意法半导体(STMicroelectronics; ST)开发的这款NIR传感器在灵敏度方面发挥了关键作用, 因而能满足Apple严格的要求.
Yole Développement成像和传感器业务分析师Pierre Cambou表示, 基于SOI的NIR影像传感器可说是 'SOI发展过程中一个非常有意思的里程碑' .
位于法国格勒诺布尔(Grenoble)附近所谓 '影像谷' (Imaging Valley)的许多公司都使用由Soitec开发的SOI晶圆, 最初用于背照式(BSI)影像传感器. 同时, 根据Cambou表示, SOI用于NIR传感器的研究可以追溯到2005年.
但Cambou指出, Apple采用ST的NIR影像传感器象征着SOI得以大规模量产影像传感器的开始. '由于光线的实体尺寸, 影像传感器的特点是表面较广. 因此, 对于像Soitec这样的基板供应商来说, 这是一个相当不错的市场. '
同时, Yole总裁兼执行长Jean-Christophe Eloy告诉《EE Times》, 在设计TrueDepth时, 'Apple采用了一个两全其美的好办法——结合ST和ams双方产品的优点. ' Apple采用了ST先进的NIR影像传感器, 以及ams的点阵感光元件. Eloy指出, ams '十分擅长于复杂的光学模组' . 今年早些时候, ams收购了以飞行时间(ToF)技术堆叠而闻名的Heptagon.
解密TrueDepth运作原理
Apple在iPhone X的正面整合了3D感测相机系统——TrueDepth, 以辨识用户的脸部并解锁手机. 正如Yole先前所解释的, 为了实现这一点, Apple结合了ToF测距传感器与红外线 '结构光' 相机, 因而能使用均匀的 '泛光' 或 '点阵图案' 照明.
3D感测相机系统的运作原理与拍摄照片的一般CMOS影像传感器非常不同. 首先, iPhone X结合了红外线相机与泛光感应元件, 从而在手机前方投射出均匀的红外光. 接着拍摄影像, 并此触发脸部辨识演算法.
然而, 这种脸部辨识功能并非持续运作. 连接到ToF测距传感器的红外线相机发出讯号, 指示相机在侦测到脸部时拍摄照片. iPhone X接着启动其点阵式投射器拍摄影像. 然后将一般影像和点阵图案影像传送至应用处理单元(APU), 用于进行神经网络训练, 以辨识手机使用者以及解锁手机.
Cambou指出, 此时尚未开始进行3D影像的运算. 3D资讯包含在点阵图案影像中. '为了执行3D应用, 同一个APU可以使用另一种计算影像深度地图的演算法. ' 他补充说: '由于采用了运算密集的结构光途径, iPhone X充份利用了A11芯片的强大处理能力. 使用神经网络是得以实现这一设计的关键技术. '
五个子模组
根据Yole和System Plus Consulting的拆解分析, 在Apple的TrueDepth光学中枢中发现了一个 '五个子模组的复杂组合' , 分别是NIR相机, ToF测距传感器+IR泛光感应元件, RGB相机, 点阵投射器和彩色/环境光传感器.
如下图所示, IR相机, RGB相机和点阵投射器全部对齐排列.
NIR影像传感器
在Apple iPhone X的光学中枢——3D相机(TrueDepth)核心, 可以看到ST的NIR传感器. Yole和System Plus Consulting在ST的NIR传感器内部发现了 '在深槽隔离(DTI)顶部使用了SOI' .
DTI技术的概念是众所周知的. 一般来说, 当今的相机需要高感测解析度的问题在于画素被限制在相同空间中, 使得拍摄照片时造成相邻传感器之间的杂讯, 变色或图素化. 采用DTI技术得以避免光电二极体之间的泄漏. 据称Apple在其间蚀刻实际沟槽, 然后用绝缘材料填充沟槽, 以阻绝电流.
那么, Apple为什么要在DTI顶部采用基于SOI晶圆的NIR影像传感器?
从光学的角度来看, Cambou解释, SOI晶圆十分有帮助, 因为绝缘层的功能就像一面镜子. 他指出: '红外光能穿透至更深层, 并且反射回主动层. '
Cambou指出, 从电气角度来说, SOI大幅提高了NIR的灵敏度, 因为它能有效地减少画素内的泄漏. 改善的灵敏度提供了良好的影像对比.
Cambou解释, 这种对比度极其重要, 因为 '结构光的运作容易受到阳光的干扰' .
当然, 一般CMOS影像传感器或NIR传感器的 '目标如果是要有更好的影像, 那么我们乐于见到更多的光线' . 但是, Cambou也指出, 当用户试图在明亮的阳光下解锁iPhone X时, 光线就会是一个问题.
Cambou说: '问题就在于NIR光线的投射点与太阳或其他任何光源的环境光之间存在的对比度. 但太阳通常是最大的问题. ' 因此, Apple采用SOI晶圆以提高NIR的对比度是至关重要的.
那么ST的NIR传感器是否使用FD-SOI或SOI晶圆? Cambou表示该公司目前还无法判断.
至于NIR传感器, 如今是否能确定Apple使用的是850nm还是940nm波长的NIR? Cambou指出, '我们无法确定是哪一个' . 然而, 他推测, 'Apple最有可能像其他业者一样使用850nm——例如英特尔(Intel)的RealSense, Facebook, 宏达电等. 但是, ST以开发940nm单光子雪崩二极体(SPAD)近接测距器闻名, 所以也可能打算在未来转向这一波长选择. '
当被问及在拆解中有何意外发现时, Cambou提出了ST NIR影像传感器芯片的尺寸——其大小约25mm2, 但由于采用2.8μm的大型画素, 因而仅有140万画素. Cambou指出: '尽管如此, 在这个类别中, 与通常使用3.0μm到5μm的竞争产品相较, 这一画素会被认为『较小』. '
新时代的开始
Yole将iPhone X定位为3D成像新时代的开始.
Cambou还认为, Apple正在为NIR传感器打造未来. 他指出, Apple不久前收购了量宏科技(InVisage Technologies), '我认为Apple打算让InVisage为其提供NIR传感器功能, 不过也可能还有好几种方式来解释这项收购行动. '
Cambou认为, InVisage可能无法在性能方面与ST的产品匹配, 但却能为小型化提供解决方案. 他提到: '因此, Face ID技术可以微缩至其它产品, 如增强实境(AR)头戴式装置. '
商业影响
一方面, Apple iPhone X正为诸如Soitec等SOI晶圆制造商创造巨大的商机. 同样重要的是, 它也为ST引发别具意义的复出. Cambou相信ST将成为新兴ToF相机市场的一员.
当然, 半导体业务往往受到短暂的繁荣和萧条交替之周期性影响. 但是, 根据Cambou的观察, ST在手机市场失去诺基亚(Nokia)后虽然业务萎缩, 如今 '已经非常巧妙地进行转型了' .
ST打造了许多不同类型的影像传感器应用: 从CMOS影像传感器转向未来的NIR和SPAD传感器, 同时也有效利用了该公司的资产以及内部开发的基础技术.