​索尼 CIS，霸权不再？

索尼 CIS，霸权不再？

2020 年 8 月，当时市场研究机构 Omdia 的数据显示，索尼和三星之间的 CMOS 图像传感器的全球市场份额差距已大大缩小。

索尼的全球市场份额在 2019 年第三季度高达 56.2％，后续却一路走低，在 2020 年第二季度下降至 42.5％。但三星的市场份额不降反升，从 16.7％上升至 21.7％，和索尼的份额差距从 39.5 个百分点缩小至 20.8 个百分点。

同年另一个研究机构 Yole 的市场数据也显示，索尼市场份额缩小至 40%，三星份额扩大至 22%，而豪威也增长至 11%，两家合力从索尼身上割肉。

当时也有不少媒体发出了感概，索尼作为市场龙头的风采不再，三星和豪威后来者居上，有望瓜分索尼大部分市场份额，索尼半导体部门危矣，日本半导体又一次被韩系厂商击落。

如今已经是 2023 下半年，三年时间过去，如今的图像传感器市场又是怎样一番景象呢？

根据 Yole 发布的最新数据，2023 年 CIS 市场具体厂商排名中，索尼继续稳坐第一的位置，其市场份额回升至 42%；排名第二的是三星，市场份额降至 19%；豪威集团（Omnivision）的市场份额则回落至 11%，接近疫情前的水平。

索尼收复了疫情前的大部分失地，而三星和豪威辛辛苦苦好几年，一朝回到疫情前，甚至还把一部分市场份额拱手让给了其他厂商，这是很多人未曾设想的情景。

索尼的 CIS 究竟出现了什么问题，让三星豪威侵蚀了市场，又是凭借什么能够持续占据近半壁江山而不动摇呢？

从 CCD 到 CMOS

索尼和图像传感器的缘分始于七十年代，当时，美国贝尔实验室又发明了 CCD ( 电荷耦合元件 ) ，而在次年，索尼的一位工程师就对这项技术产生了浓厚兴趣，并开始了对 CCD 的研究。并成功用 64 像素的 CCD 完成了字母 "S" 的投影，此事最终得到了索尼高层的重视，并正式立项，CCD 作为 " 电子眼 " 的开发工作自此开始。

索尼的 CCD 研发部门开始思考：" 能否研发出一种半导体，可以将从镜头射入的光转换为电气信号，并用该信号制作出图像。"" 如果可以以较低的成本制作出 CCD 图像传感器，摄像机的价格也会相应地降低。如此一来，摄像机会普及至普通家庭，摄影、摄像会成为普通人的乐趣，成为人们生活的一部分。"

在索尼开发 CCD 的过程中，几乎所有进行同样项目的竞争对手，都因为技术难度太大选择了退出，而索尼则是在压下了内部的质疑声后，用 MCZ 结晶方法克服了像素中灰尘污染的问题，成功在厚木市工厂开始生产 12 万像素 CCD。

1979 年，新型 CCD 以 "ICX008" 的名义开始商业化（截至此时索尼在该项目总投资已达 200 亿日元），1980 年初，世界上第一台 CCD 相机—— XC-1 正式诞生，这台相机曾拍摄了全日空巨型飞机的起飞、着陆情况，并放映给机舱内乘客。

不过，此时由于还未建立无尘洁净室，CCD 易受到污染，从而导致产量极低，完成订单二十六台相机所需的五十二个 CCD 芯片需要花费一年时间，单块芯片的售价也高达 317000 日元。

在排除万难解决洁净问题后，1983 年索尼终于实现了 CCD 的大规模生产，并于 1985 年初推出了首款搭载 25 万像素 CCD 芯片的 8 毫米家用摄像机—— CCD-V8。1989 年，索尼发售 8 毫米摄像机一一 "CCD-TR55"，并大获成功、风靡一时，该机型极其轻巧，重量仅为 790 克，是名副其实的 "Handycam（掌中宝）"。此次成功成为了索尼图像传感器业务获得飞跃的契机。

1996 年，索尼推出了 Cyber-shot 系列的 DSC-F1，搭载 35 万像素 CCD 的它成为了索尼第一款数码相机，同年索尼还宣布了正式开发 CMOS 图像传感器（CMOS Image Sensor，即 CIS）。

2000 年，索尼成功生产出了自己的第一款 CMOS 图像传感器（IMX001），对于索尼来说，CMOS 具有一些 CCD 所不具备的优势，即低功耗、低成本、高速率，更广的适用范围让它成为了新时代的宠儿。

索尼此时面临着和当初英特尔一样的抉择，保大还是保小的难题又一次摆在了大家面前，后者曾果断放弃 DRAM，全力押注 CPU，最终成为半导体霸主，而前者此时还在 CCD 市场中占据最大份额，相机厂商还在不断追加订单，面对新技术和旧技术打架的情况，索尼思虑了良久，最终还是选择了未来前景更广阔的 CMOS。

2004 年，索尼决定停止投资增加 CCD 的产量，将后续投资重点放在开发 CMOS 图像传感器上，而在全面转向 CMOS 之后，索尼在该领域的技术更新几乎达到了井喷式的地步：

2007 年，索尼将配备独特列 A/D 转换电路的 CMOS 图像传感器商业化，实现了高速和低噪声；2009 年，索尼将背照式 CMOS 图像传感器商业化，其灵敏度是传统产品的两倍，性能已经超越了人眼；2012 年，索尼将堆叠式 CMOS 图像传感器商业化，通过像素部分和信号处理部分的堆叠结构实现了高分辨率、多功能和小型化，并于 2015 年在全球率先将其商业化 ……

虽然听上去很轻巧，但索尼的 CMOS 之路走得比 CCD 要坎坷得多，原因无他，固守 CCD 市场的日系厂商目光远没有后来那么长远，和 90 年代的五大日本半导体厂一样，既然在自己一亩三分地能够活得滋润，那为什么要冒着风险去尝试自己所不熟悉的领域呢？

CMOS 技术的天时还在美国，1990 年代早期，位于美国加州 Pasadena 的 JPL 开始 CMOS 图像传感器的研究，最终 1990 年代中期催生了 Photobit 公司，并于 2001 年被美光半导体（Micron Technology）收购。

在收购之前，Photobit 的 CMOS 传感器已经搭载于罗技和英特尔生产的网络摄像头之中，由于技术大部分源于美国，美光和豪威更容易获取到技术授权，早期 CMOS 传感器市场也由这部分美国制造商主导，在经历日本厂商的长期统治后，美光和豪威短暂地夺回了市场份额。

不过 CMOS 最终还是需要一个广阔的应用市场，而美国此时已经没有大规模的数码相机厂商来和日系厂商竞争了，根据 Yole 的调查，2009 年时 CMOS 市场排名前五的厂商，分别是 Aptina imaging（美光子公司）、索尼、三星、豪威和佳能，美日韩三分市场。

真正改变美日厂商之间对比，是消费市场的风向转变，智能手机的崛起，迅速挤压着数码相机的生存空间，数码相机从全球年销量 1 亿余台快速滑落，而智能手机却以一条陡然上升的直线，迅速成为了所有传感器厂商眼中的香饽饽。

而早期智能手机里，最受关注的自然就是苹果 iPhone，得 iPhone 者得 CMOS 天下，而苹果的选择呢？

初代 iPhone 和 iPhone 3G 选择的是美光旗下的 Aptina imaging，这一点倒也不难理解，作为美国本土公司，又是 CMOS 市场的领导者，拥有着更为成熟的技术，成本相对也较低，成为合作伙伴似乎就是水到渠成的事情。

但美光在 2008 年之后遇到了大难题，韩系厂商在内存上搞起了反周期投资，尔必达走到了破产的边缘，美光也没好到哪里去，最终不得已拆分 Aptina imaging，母公司都没钱了，子公司当然也没什么机会对技术进行更迭了。

苹果的第二任是豪威，iPhone 3GS 和 iPhone 4 均搭载了豪威的传感器，同样是美国的 CMOS 厂商，选择它的理由简单而又粗暴，豪威的传感器支持自动对焦，而前两代使用 Aptina 传感器的 iPhone 均为固定焦点，不支持自动对焦，都智能手机了，不支持自动对焦就像是瘸了一条腿，也没办法让消费者满意。

而苹果最后一任也是现任，就是索尼了，从 iPhone 4s 到最新的 iPhone 14 Pro Max，后置摄像头清一色的索尼，从上图的我们也能看到，索尼在背照式传感器上的发展明显比 OV 更快，前一代刚爬升至 500 万像素，后一代索尼已经能做到 800 万像素，单个像素尺寸做到了 1.4 微米，因而得到了苹果的青睐。

上了苹果这艘大船后，索尼的 CMOS 可谓是顺风顺水，随着 iPhone 在全球的热销，迅速带起一股索尼 CMOS 图像传感器的风潮，从国内的华米 OV，到海外的三星 LG 等厂商，纷纷用上了索尼牌 CMOS，而索尼也自此确定了业界的霸主地位。

精益求精的 CMOS

事实上，索尼能够在 CMOS 发展里做到后来者居上，天时地利缺一不可。

天时指的是半导体周期的变化，迫使美光退出 CMOS 传感器市场，而地利呢，就是索尼在图像传感器领域作为 IDM 厂商的优势，OV 作为 Fabless 厂商，依靠的是台积电代工，难以快速迭代技术，迅速在智能手机市场中掉队。

而索尼产研一体，能够迅速针对市场变化推出相对应的产品，如 2012 年索尼首创的堆栈式 CMOS 图像传感器：

图像传感器主要有两部分构成，像素部分是将光转换为电气信号的部分，而线路部分则是处理这些信号的部分，通过技术改良，索尼将两部分安装为同一基板上，使用有信号处理电路的芯片替代了之前常见的背照式 CMOS 图像传感器中的支持基板，在芯片上重叠形成背照式 CMOS 元件的像素部分，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。

更关键是，由于像素部分和电路部分是独立设计的，因此像素部分可以针对高画质优化，电路部分可以针对高性能优化，在保证影像画质的前提下，还能大幅提升成像速度，同时还缩减了传感器体积，天然契合于智能手机，在 2012 年 Find X5 首发之后，迅速在主流手机厂商中得到普及，IMX 加后缀的传感器成为了旗舰代名词。

2017 年，索尼又在原先双层堆栈的结构上，再增加一层 DRAM 芯片——用以提升 CMOS 数据处理速度，从而推出了三层堆栈式产品 IMX400。

相较于双层堆栈，三层堆栈最大的特点就是在像素和电路层中间，加入了 DRAM 层，为了实现高速数据读取，用于将模拟视频信号从像素转换为数字信号的电路从 2 层结构倍增到 4 层结构，以便提高处理能力，而使用 DRAM 来临时存储高速读取的信号，使得能够以标准规格中的最佳速度输出数据。

根据索尼官方提供的数据，配备了 DRAM 的传感器可实现快速数据读取速度，能够捕获高速运动中的物体的最小失真度的静止图像，还支持在全高清（1920 x 1080 像素）模式下拍摄 1000 帧 / 秒（约比传统产品快 8 倍）的视频，实现超慢回放。

当年索尼的 Xperia XZ Premium 在搭载了 IMX 400 的情况下，可以完成 960 帧的慢动作视频录制，将以只有专业设备才具备的功能带到了小巧的手机之上，而且这项功能仅限于索尼 CMOS，同时期的三星豪威并没有对标的产品。

2021 年 12 月，索尼宣布成功开发出全球首创的 CMOS 图像传感器技术，新技术能够有效解决阴暗差（例如背光环境）场景和光线不足（例如夜间环境）场景的各种问题。

之前的堆栈式 CMOS 的光电二极管和像素晶体管分布于同一基片，而索尼这项新技术则将两者分离在不同的基片层，从而使得对这两者的独立优化成为了可能；进而让饱和信号量得到翻倍提升，并扩大了动态范围。

此外，因为传输门以外的像素晶体管，包括复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管，都处于无光电二极管分布的那一层，所以放大二极管的尺寸可以增加，从而大幅改善了暗光环境下图像容易产生噪点的问题。

根据 TechInsights 的拆解，索尼 Xperia 1V 上首发搭载的 " 双层晶体管像素堆叠式 " IMX888，传感器大小为 11.37 x 7.69mmm，总像素为 4800 万，单个像素间距为 1.12 µ m ，每一个像素都采用左右光电二极管分列的结构，以实现 PDAF 对焦。

拆解显示，IMX888 有三层有源硅，图像信号处理器（ISP）使用直接键合接口（DBI）堆叠到 " 第二层 "CMOS 图像传感器（CIS）上。图 1 显示了阵列的 SEM 截面图。光线通过微透镜和彩色滤光片从图像底部进入。每个像素由光栅（复合层）隔开，以提高量子效率。每个光电二极管之间采用前端深槽隔离。该层还有一个平面传输栅，用于将光电电荷从二极管传输到浮动扩散区。

第一层之上是 " 第二层 " 硅，每个像素包含三个晶体管：复位、放大器（源跟随器）和选择晶体管。这些晶体管位于第二层硅之上，通过 " 深接触 " 实现与第一层的连接，并穿过第二层，基本上形成了一个硅通孔（TSV）。最后，ISP 位于第二层的金属化层上，采用混合（直接）键合方式连接。

这种结构的关键在于一种工艺，它能承受产生热氧化物和激活第二层注入所需的热循环。索尼公司详细介绍了这一工艺（IEDM 2021，"CMOS 图像传感器的三维顺序工艺集成 "）。

图 2 显示了该工艺，第一层光电二极管和透射栅极形成后，对第二层进行晶圆键合和减薄。只有这样才能形成第二层栅极氧化物并激活注入。最后，形成深度接触，蚀刻穿过第二层，接触到器件的第一层。

图 3 更详细地显示了第一层和第二层之间的界面。透射栅极（图中的 TG）与第二层的第一金属层相连。稍长的深触点位于样品表面以下，在图像中部分可见。它们连接第一层和第二层之间的浮动扩散节点。次局部连接（低于样品表面）用于将第一层上方的四个光电二极管与复位场效应晶体管的源极和 AMP（源极跟随器）场效应晶体管的栅极互连。

图 4 详细讨论了次局部连接。这是底层第一层的平面 SEM 图像。黄色方框勾勒出像素轮廓，PDL 和 PDR 分别代表左右两个光电二极管。每个像素覆盖一个微型透镜。它表示次局部连接，用于连接两个像素的浮动扩散和四个像素的接地。

TechInsights 表示，索尼采用双层结构有多方面的优势，首先，即使像素间距缩小，也能保持光电二极管的全部阱容量，而后，亚局部接触的使用减少了浮动扩散的电容，提高了像素的转换增益，最后由于第二层的可用面积增加，AMP（源极跟随器）晶体管的面积也随之增加，从而降低了器件通道中产生的噪声（闪烁和电报）。

索尼 VS 三星 VS 豪威

对于索尼来说，" 双层晶体管像素堆叠式 " 可谓是既三层堆栈式之后又一大技术上的利器，也有消息称今年的 iPhone 15 有望搭载采用这一技术的 CMOS，如果最终得以成行，那么索尼传感器部门有望迎来新一轮的高速增长。

不过，索尼的最大的问题依旧出在自身，产研一体的模式固然让索尼在 CMOS 早期的市场中占得先机，以最强势的姿态夺走了美光和豪威的市场份额，甚至同室操戈，压制住了日本本土的其他的传感器厂商。

但当产业落后于研究时，曾经的优势一下子就变成了绊脚石，早在 2019 年，三星电子就推出了 0.7μm 级像素工艺产品，基于 0.7μm 级像素工艺加工而成的 1.08 亿像素传感器，与使用 0.8μm 级像素工艺的传感器相比，最多可以减少 15% 的体积，摄像头模组的高度最多可以减少 10%，从而在一定程度上解决摄像头凸起的问题。

而索尼呢，2018 年发布行业首个 0.8μm 像素图像传感器（IMX586），四年后才终于推出了自家首个 0.7μm 像素图像传感器方案 IMX758（搭载在 vivo X90 Pro+ 上），三年多的空白，等于把亿级像素的市场拱手让给了三星，且目前三星的 ISOCELL HP1 已经做到 0.64μm 像素，HP3 达到了 0.56μm 像素，以往索尼能够自傲的高像素，反倒成为了它落后的标志。

当然，不止三星，豪威在去年就发布了 0.56μm 的 2 亿像素图像传感器 OVB0A，当索尼的 1 亿像素姗姗来迟之际，对上的却是隔壁两家开始普及的 2 亿像素。

而背后的原因非常简单，一块 CMOS 通常分成模拟层、数字层以及 DRAM 层，模拟层一般由索尼自己生产，而数字层以及 DRAM 层则会找如台积电等代工厂生产，这种模式在智能手机发展的初期并没有太多问题，因为彼时大部分手机传感器都停留在 2000 万像素之下，但当索尼推出 IMX586 之后，高像素加多像素合一的模式瞬间就热门赛道，三星和豪威加入到这场新的战争之中。

这时候索尼就发现问题了，自家的晶圆代工厂依旧停留在 65nm 工艺，也就是说模拟层只能用 65nm 工艺，而隔壁三星有自家半导体部门主力，豪威背靠台积电这颗大树，这两家轻松用上了 28nm 制程的模拟层，而索尼则是看着自家不成器的代工厂，陷入了只能干瞪眼的尴尬境地。

另外，由于模拟层是自产自销，因而自家代工厂的产能也是一个问题，隔壁三星和豪威背后有一堆代工厂可以依靠，而索尼自己的代工厂在早期小尺寸 CMOS 大行其道时还算够用，在高像素大底流行起来后，产能彻底跟不上了，而额外产线也不是说加就能加的，在新的工厂竣工前，同样只能干瞪眼。

可以说，索尼的 CMOS 崛起之路，颇有些日本工匠精神在里头，不断推陈出新的技术，让它受到了手机厂商的青睐，不论是堆栈式，还是 0.8μm 的高像素，都引一时潮流，让三星豪威竞相追赶。

但索尼 CMOS 的至暗时刻，同样沿袭了日本半导体，高超的技术无法弥补制程工艺上的差距，早期的顺风顺水让它失去了长远目光，既没有与台积电进一步合作，也没有升级自己的工艺，最终这部分债，花了三四年时间都没有完全还清。

知名果链分析师郭明錤近日爆料称，苹果 iPhone 15 标准版的高端 CIS 将升级到 48MP 并大量采用新设计，因良率低故索尼不得不将分配给苹果手机的 CIS 产能提升 100 – 120% 以满足需求，导致安卓高端 CIS 供应大幅下降。

而这又一次给了其他厂商机会，郭明錤表示，豪威的高端 CIS ( 64MP+ ) 订单将自 2023 年下半年开始显著增长，其高端 CIS 市占率，预计将自 2023 年的 3 – 5%，分别增长至 2024 年与 2025 年的 10 – 15% 与 20 – 25%，有利长期目标与利润增长。

如此看来，恐怕只有熊本的工厂正式开工，索尼传感器才能真正坐上高枕无忧的日子吧。

参考来源

CMOS Image Sensor Technologies & Markets - 2010 Report —— Yole

History of Sony's Semiconductors —— Sony

Sony ’ s World-first two-layer image sensor: TechInsights preliminary analysis and results —— Image Sensors World