超级CCD传感器使富士胶片的数码相机图像更清晰

在本篇设计揭密中，我们将审视富士胶片(Fujifilm)公司630万像素的Finepix E550数码相机所用的电荷耦合器件(CCD)传感器。对一部傻瓜型相机来说，Finepix E550的分辨率及其ISO 800标准的感光度和1/2,000秒的快门速度令人印象深刻。实际上，为了实现这些性能目标，富士采用了其专有的超级CCD设计制造了其中的传感器。

在数码静止照相机(DSC)市场，成像技术按图像传感器分为两类：CCD和CMOS成像器。CMOS技术盘踞低端，而高端虽非由CCD把持，但它仍是主宰。在富士胶片的超级CCD架构内，传统的x-y阵列被旋转45度，以将像素排成对角线。此举在允许设计师采用相对大的八边光电二极管的同时，优化了空间利用，且与其它设计相比，它支持更细的点阵间距。

富士的设计人员表示，归功于在布局上的改进，其超级CCD传感器能将分辨率、感光性、动态范围、信噪比和色彩逼真度等指标均衡地结合起来。另外，该公司的信号处理技术在光电二极管间生成虚拟像素，所以存储的图像实际上是一个1,230万像素的方格x-y阵列。

富士胶片的MS3895A传感器是其初于1999年公布的技术的第四代产品。新传感器的像素大小已缩小至2.7平方微米，以改进分辨率。该芯片由Fujifilm Microdevices在其日本仙台的晶圆厂采用0.35微米、双金属、双多晶硅工艺，在n型基层上埋置p型井的方法制成。在其7.7×9mm的裸片上总共有663万像素，有效像素达630万。借助信号处理增加的虚拟像素，能记录内容的像素总数达1,230万。

该传感器的像素以对角线方式排列。为正确观察像素，也可通过沿对角线方向取成像阵列的横截面。在该横截面上，你将在顶部看到半球状的镜头结构，然后是覆盖在一个平面结构层上的色彩过滤器层。在平面构造层下面的是氮化硅镜头，在镜头下面的是光电二极管和CCD电荷迁移电极。

若对硅结构进行放大，你将发现氮化硅镜头实际上包含两个氮化物层。下面一层沉积在CCD构造上然后经过平整化处理，而上面一层被沉积在被平整化处理的这一层上，然后被浸蚀成半球状。下面的两个多晶硅迁移电极覆以一个钨灯防护罩。

通过用一个扫描电容显微镜观察横截面图像，可看到衬底的掺杂结构。在底部你开始看到n基层，随着逐步升高将进入阵列的p井区。

靠近p井表面的是处在光电二极管和位于二极管表面p型销入层之间的p型绝缘区。n掺杂电荷迁移通道位于p绝缘区内，在表面下是嵌埋的光电二极管。在表面上是迁移电极和作为空白区间的电介质，其上覆以一层完整金属。

图1：将图像传感器上的像素排列沿水平倾斜45度后，可提供更高的封装密度。每个像素的尺寸缩小到了2.7平方微米，使得E550的有效像素达到630万。

当将构造层剥去，从上面看传感器时，氮化硅镜头的对角线组织就变得清晰可见。氮化硅镜头周边的虚拟像素由片上的信号处理电路生成。当与物理像素结合时，该传感器的总有效像素数就变为1,230万。

图2：富士胶片的超级CCD图像传感器的对角线视图。

将成像阵列表面磨去后，以水平方式横跨阵列工作的多晶硅电极就暴露出来了。进一步深入到硅构造后，就可看到菱形的嵌埋光电二极管。富士将这些构造称为八边形。电极迁移过程通过电荷迁移通道将被各个光电二极管积聚起来的电荷以钟控方式移出光电二极管。然后，这些电荷被送至CCD阵列的边缘。一个附属 CCD将电荷移至级功放然后再进入信号处理电路。

总体上，在现在这个纳米技术时代，富士胶片的超级CCD传感器采用的是一个相对简单的结构，但经过精雕细凿，它能恰倒好处地实现一款1,200万像素照相机所要求的功能。富士胶片这款数码相机的初始售价为325美元。