市調機構Yole Développement日前與其合作夥伴System Plus Consulting聯手, 拆解了Apple iPhone X內部的TrueDepth模組, 《EE Times》有幸訪問了Yole的看法. 他們推論在這款模組的近紅外線(NIR)影像感測器中採用了絕緣層上覆矽(SOI)晶圓, 而且, 該SOI對於意法半導體(STMicroelectronics; ST)開發的這款NIR感測器在靈敏度方面發揮了關鍵作用, 因而能滿足Apple嚴格的要求.
Yole Développement成像和感測器業務分析師Pierre Cambou表示, 基於SOI的NIR影像感測器可說是 'SOI發展過程中一個非常有意思的裡程碑' .
位於法國格勒諾布爾(Grenoble)附近所謂 '影像穀' (Imaging Valley)的許多公司都使用由Soitec開發的SOI晶圓, 最初用於背照式(BSI)影像感測器. 同時, 根據Cambou表示, SOI用於NIR感測器的研究可以追溯到2005年.
但Cambou指出, Apple採用ST的NIR影像感測器象徵著SOI得以大規模量產影像感測器的開始. '由於光線的實體尺寸, 影像感測器的特點是表面較廣. 因此, 對於像Soitec這樣的基板供應商來說, 這是一個相當不錯的市場. '
同時, Yole總裁兼執行長Jean-Christophe Eloy告訴《EE Times》, 在設計TrueDepth時, 'Apple採用了一個兩全其美的好辦法——結合ST和ams雙方產品的優點. ' Apple採用了ST先進的NIR影像感測器, 以及ams的點陣感光元件. Eloy指出, ams '十分擅長於複雜的光學模組' . 今年早些時候, ams收購了以飛行時間(ToF)技術堆疊而聞名的Heptagon.
解密TrueDepth運作原理
Apple在iPhone X的正面整合了3D感測相機系統——TrueDepth, 以辨識用戶的臉部並解鎖手機. 正如Yole先前所解釋的, 為了實現這一點, Apple結合了ToF測距感測器與紅外線 '結構光' 相機, 因而能使用均勻的 '泛光' 或 '點陣圖案' 照明.
3D感測相機系統的運作原理與拍攝照片的一般CMOS影像感測器非常不同. 首先, iPhone X結合了紅外線相機與泛光感應元件, 從而在手機前方投射出均勻的紅外光. 接著拍攝影像, 並此觸發臉部辨識演演算法.
然而, 這種臉部辨識功能並非持續運作. 連接到ToF測距感測器的紅外線相機發出訊號, 指示相機在偵測到臉部時拍攝照片. iPhone X接著啟動其點陣式投射器拍攝影像. 然後將一般影像和點陣圖案影像傳送至應用處理單元(APU), 用於進行神經網路訓練, 以辨識手機使用者以及解鎖手機.
Cambou指出, 此時尚未開始進行3D影像的運算. 3D資訊包含在點陣圖案影像中. '為了執行3D應用, 同一個APU可以使用另一種計算影像深度地圖的演演算法. ' 他補充說: '由於採用了運算密集的結構光途徑, iPhone X充份利用了A11晶片的強大處理能力. 使用神經網路是得以實現這一設計的關鍵技術. '
五個子模組
根據Yole和System Plus Consulting的拆解分析, 在Apple的TrueDepth光學中樞中發現了一個 '五個子模組的複雜組合' , 分別是NIR相機, ToF測距感測器+IR泛光感應元件, RGB相機, 點陣投射器和彩色/環境光感測器.
如下圖所示, IR相機, RGB相機和點陣投射器全部對齊排列.
NIR影像感測器
在Apple iPhone X的光學中樞——3D相機(TrueDepth)核心, 可以看到ST的NIR感測器. Yole和System Plus Consulting在ST的NIR感測器內部發現了 '在深槽隔離(DTI)頂部使用了SOI' .
DTI技術的概念是眾所周知的. 一般來說, 當今的相機需要高感測解析度的問題在於畫素被限制在相同空間中, 使得拍攝照片時造成相鄰感測器之間的雜訊, 變色或圖素化. 採用DTI技術得以避免光電二極體之間的泄漏. 據稱Apple在其間蝕刻實際溝槽, 然後用絕緣材料填充溝槽, 以阻絕電流.
那麼, Apple為什麼要在DTI頂部採用基於SOI晶圓的NIR影像感測器?
從光學的角度來看, Cambou解釋, SOI晶圓十分有幫助, 因為絕緣層的功能就像一面鏡子. 他指出: '紅外光能穿透至更深層, 並且反射回主動層. '
Cambou指出, 從電氣角度來說, SOI大幅提高了NIR的靈敏度, 因為它能有效地減少畫素內的泄漏. 改善的靈敏度提供了良好的影像對比.
Cambou解釋, 這種對比度極其重要, 因為 '結構光的運作容易受到陽光的幹擾' .
當然, 一般CMOS影像感測器或NIR感測器的 '目標如果是要有更好的影像, 那麼我們樂於見到更多的光線' . 但是, Cambou也指出, 當用戶試圖在明亮的陽光下解鎖iPhone X時, 光線就會是一個問題.
Cambou說: '問題就在於NIR光線的投射點與太陽或其他任何光源的環境光之間存在的對比度. 但太陽通常是最大的問題. ' 因此, Apple採用SOI晶圓以提高NIR的對比度是至關重要的.
那麼ST的NIR感測器是否使用FD-SOI或SOI晶圓? Cambou表示該公司目前還無法判斷.
至於NIR感測器, 如今是否能確定Apple使用的是850nm還是940nm波長的NIR? Cambou指出, '我們無法確定是哪一個' . 然而, 他推測, 'Apple最有可能像其他業者一樣使用850nm——例如英特爾(Intel)的RealSense, Facebook, 宏達電等. 但是, ST以開發940nm單光子雪崩二極體(SPAD)近接測距器聞名, 所以也可能打算在未來轉向這一波長選擇. '
當被問及在拆解中有何意外發現時, Cambou提出了ST NIR影像感測器晶片的尺寸——其大小約25mm2, 但由於採用2.8μm的大型畫素, 因而僅有140萬畫素. Cambou指出: '儘管如此, 在這個類別中, 與通常使用3.0μm到5μm的競爭產品相較, 這一畫素會被認為『較小』. '
新時代的開始
Yole將iPhone X定位為3D成像新時代的開始.
Cambou還認為, Apple正在為NIR感測器打造未來. 他指出, Apple不久前收購了量宏科技(InVisage Technologies), '我認為Apple打算讓InVisage為其提供NIR感測器功能, 不過也可能還有好幾種方式來解釋這項收購行動. '
Cambou認為, InVisage可能無法在性能方面與ST的產品匹配, 但卻能為小型化提供解決方案. 他提到: '因此, Face ID技術可以微縮至其它產品, 如增強實境(AR)頭戴式裝置. '
商業影響
一方面, Apple iPhone X正為諸如Soitec等SOI晶圓製造商創造巨大的商機. 同樣重要的是, 它也為ST引發別具意義的複出. Cambou相信ST將成為新興ToF相機市場的一員.
當然, 半導體業務往往受到短暫的繁榮和蕭條交替之周期性影響. 但是, 根據Cambou的觀察, ST在手機市場失去諾基亞(Nokia)後雖然業務萎縮, 如今 '已經非常巧妙地進行轉型了' .
ST打造了許多不同類型的影像感測器應用: 從CMOS影像感測器轉向未來的NIR和SPAD感測器, 同時也有效利用了該公司的資產以及內部開發的基礎技術.