▲Sungsoo Choi (izquierda) del Centro de I&D de Semiconductores y Myoungoh Ki del Equipo de Desarrollo de Sensores Avanzados en el negocio de Sistema LSI de Samsung Electronics que desarrollaron el ISOCELL HP3

Las lentes de cámara del tamaño de una uña que están integradas en los dispositivos móviles han avanzado extraordinariamente desde su creación. Después de convertirse en la primera empresa de la industria en presentar sensores de imagen CMOS (CIS) con 108 y 200 megapíxeles en 2019 y 2021, respectivamente, Samsung Electronics recientemente ha sorprendido al mercado una vez más con su sensor de imagen ISOCELL HP3, un sensor de imagen con 200 millones píxeles de 0,56 micrómetros (μm) – los píxeles más pequeños de la industria.

Samsung es líder en tecnologías de sensores de imagen con diseños innovadores de semiconductores que pueden capturar imágenes sorprendentes con una gran cantidad de píxeles. Mediante el anuncio de la producción en masa de su sensor de imagen de píxeles ultra altos, el ISOCELL HP3, la empresa ha comercializado el desarrollo de sensores de imagen móviles de 200MP con píxeles ultra pequeños.

Para obtener más información sobre cómo Samsung desarrolló este sensor de imagen de píxeles ultra altos líder en la industria, Samsung Newsroom platicó con Myoungoh Ki y Sungsoo Choi, desarrolladores del negocio de Sistema LSI y del Centro de I&D de Semiconductores, respectivamente, quienes desempeñaron un papel de liderazgo en el desarrollo del nuevo ISOCELL HP3.

Más pequeño y mejor: la primera empresa de la industria en comercializar píxeles de 0,56μm

Un sensor de imagen es un sistema semiconductor que convierte la luz que ingresa al dispositivo a través de la lente de la cámara en señales digitales. Desde cámaras digitales y smartphones hasta computadoras portátiles y automóviles, los sensores de imagen están integrados en todos los productos electrónicos que vienen con una cámara. El ISOCELL HP3, que Samsung presentó recientemente, es un sensor de imagen que incluye 200 millones de píxeles de 0,56μm, los más pequeños de la industria, en un formato óptico de 1/1.4”[1].

Desde 2019, Samsung ha logrado anualmente la reducción del tamaño de su píxel para que coincida con el tamaño más pequeño de la industria. Se necesitan píxeles más pequeños para mantener los dispositivos delgados.

“Con un tamaño de píxel de unidad más pequeño, es posible reducir el tamaño físico del sensor y del módulo, lo que también permite la reducción del tamaño y del ancho de la lente”, explicó Ki. “Esto puede eliminar elementos que interfieren en el diseño del dispositivo, como una cámara que sobresale, así como reducir el consumo de energía”.

Si bien los píxeles más pequeños permiten que los dispositivos sean más delgados, mantener la calidad de imagen con píxeles más pequeños es clave. Desarrollado con tecnología de punta, el ISOCELL HP3 puede reducir el área de superficie del módulo de la cámara en un dispositivo móvil hasta en un 20%, con un tamaño de píxel un 12% más pequeño que el modelo ISOCELL HP1 anterior. A pesar de su tamaño de píxel más pequeño, el sensor se desarrolló utilizando una tecnología que maximiza la capacidad total de la fuente (FWC – full well capacity) y minimiza la pérdida de sensibilidad. Además, se agregaron nuevos recursos al sensor, incluidas capacidades de enfoque automático para todos los píxeles y funciones que habilitan la operación de video de alta velocidad, junto con una expresión de color perfeccionada.

Mayor absorción de luz y capacidad de fotodiodo utilizando capacidades tecnológicas únicas

El tamaño de píxel más pequeño es ideal para crear dispositivos más pequeños y delgados, pero es posible que ingrese menos luz al dispositivo o que haya interferencia entre píxeles adyacentes. A pesar de estos desafíos, Samsung pudo utilizar los píxeles más pequeños de la industria para crear un sensor nuevo e innovador.

“Todo es gracias a las capacidades tecnológicas patentadas de Samsung”, dijo Ki. “La tecnología innovadora de Samsung puede proporcionar un alto rendimiento incluso en dispositivos mucho más pequeños”.

Samsung logró la creación de paredes físicas entre píxeles que son más delgadas y profundas mediante el uso de su tecnología patentada llamada aislamiento de trinchera profunda (DTI, en inglés, deep trench isolation) Full Depth (Profundidad total), que garantiza un alto rendimiento incluso con 0,56μm. DTI, la tecnología clave de ISOCELL, crea un componente aislado entre los píxeles que actúa como una pared aislada para evitar la pérdida de luz y mejorar el rendimiento óptico. El desarrollador Choi comparó esta tecnología con la construcción de una barrera delgada entre las diferentes habitaciones de un edificio.

“En términos sencillos, es lo mismo que intentar crear una pared más delgada entre su habitación y la habitación de al lado sin afectar el nivel de insonorización”, explicó Choi.

La clave de DTI es crear paredes de silicona más delgadas y profundas para aumentar el ISO y reducir la diafonía[2], ya que los componentes de aislamiento más grandes entre píxeles significan una mayor pérdida de luz. Al aplicar esta técnica a los píxeles de 0,56μm, Samsung aumentó la absorción de luz y maximizó la capacidad del fotodiodo (PD). Por lo tanto, es posible utilizar píxeles ultra pequeños, ya que se puede almacenar y procesar más luz por píxel, incluso con un área receptora de luz más pequeña.

La función de enfoque automático para todos los 200 megapíxeles proporciona mayor velocidad y precisión

La tecnología Super Quad Phase Detection (QPD, en inglés, Detección de fase súper cuádruple), que se utilizó por primera vez en HP3, habilita el enfoque de los 200 megapíxeles aumentando la intensidad de los píxeles de enfoque automático al 100%. El Super QPD ofrece una función de enfoque automático más rápida y precisa al utilizar una lente de más de cuatro píxeles, lo que permite la medición de todas las diferencias de fase de los lados izquierdo, derecho, superior e inferior del sujeto fotografiado. El enfoque automático no solo es preciso incluso cuando está oscuro, sino que también se mantiene la alta definición incluso cuando se acerca el zoom.

Para abordar el problema de la mala calidad de imagen en entornos con poca luz, Samsung utilizó una innovadora tecnología de píxeles para garantizar imágenes de alta calidad. “Utilizamos una versión perfeccionada de la tecnología patentada Tetra[2],  pixel de Samsung que combina 4 o 16 píxeles adyacentes para operar como un píxel grande en entornos con poca luz”, dijo Choi. La tecnología perfeccionada de píxeles habilita la grabación en alta resolución en 8K a 30 cuadros por segundo (fps) y en 4K a 120fps sin pérdida en el campo de visión. Además, es posible filmar videos de 8K en resolución ultra alta con el mismo campo de visión que cuando se toman fotos.

Al igual que en entornos con poca luz, también es difícil tomar fotos cuando hay demasiada luz solar. Para combatir este problema, se necesita una tecnología única para ajustar los niveles en las fotos para capturar una imagen correctamente. “Cuando hay demasiada o muy poca luz, es importante aumentar el rango dinámico[3] para tomar una foto natural que se parezca a lo que vemos con nuestros ojos”, dijo Ki. “Al usar la tecnología Smart-ISO Pro, que usa dos ganancias de conversión, y la función Staggered High Dynamic Range (HDR, en inglés, Alto Rango Dinámico Escalonado)[4], que transforma tres cuadros con diferentes exposiciones (exposición corta, exposición media y exposición larga) en uno, se admite la fotografía HDR que crea imágenes naturales incluso cuando se fotografía en condiciones de iluminación imperfectas, brindando un resultado óptimo”.

Colaboración: la clave para superar las limitaciones técnicas y habilitar un desarrollo rápido

Durante el desarrollo de ISOCELL HP3, los desarrolladores enfrentaron varios desafíos técnicos. “Como este fue el primer producto que utilizó la tecnología Super QPD, hubo muchas pruebas y errores al utilizar una nueva estructura que no se podía encontrar en el Front Deep Trench Isolation (FDTI, en inglés, Aislamiento de Trinchera Profunda Frontal) existente, y también experimentamos problemas que no habíamos previsto en cada etapa de desarrollo”, dijo Choi.

A pesar de un proceso de desarrollo tan difícil, el nuevo sensor se anunció menos de un año después del lanzamiento del modelo anterior. Los dos desarrolladores atribuyeron este rápido desarrollo y lanzamiento del producto a la colaboración entre diferentes equipos.

“Cada vez que nos enfrentábamos a un problema técnico, respondíamos cooperando estrechamente con diferentes divisiones comerciales, nuestro equipo e incluso centros de investigación en el extranjero”, dijo Ki. “Pudimos crear sinergia al agregar conocimientos a productos de primer nivel, como chips de memoria del centro de I&D de Semiconductores, chips lógicos y más. Es probable que este nuevo producto sea el mayor esfuerzo de colaboración entre diferentes departamentos hasta el momento, incluidos los colaboradores del Centro de I&D de Semiconductores, el Equipo de Desarrollo de Píxeles, la fundición, los investigadores del SSIR y todos los grupos del equipo de desarrollo avanzado, como diseño de sensores, píxel, solución, tecnología de producto, fabricación y algoritmo”.

Orgullo de liderar la proeza técnica: liderando el mercado de sensores de imagen

Si bien se espera que el mercado de sensores de imagen experimente un rápido crecimiento debido a la mayor demanda de cámaras y la diversificación de productos relacionados, Samsung está marcando tendencias para las cámaras en el mercado de sensores de imagen móviles de próxima generación al superar las limitaciones de la miniaturización de píxeles. Samsung Newsroom preguntó a los dos desarrolladores cómo se sentían al liderar el desarrollo técnico del ISOCELL HP3, el primer sensor de imagen de 200MP en la industria que utiliza píxeles de 0,56μm.

“Me enorgullece mucho el hecho de que estamos creando tendencias en el mercado de sensores de imagen y confío en que continuaremos liderando la tecnología de micro píxeles”, dijo Choi. “Dado que las aplicaciones de los sensores de imagen están generalizándose cada vez más en diversas industrias, como la realidad aumentada (AR), la realidad virtual (VR) y la industria automotriz, además de la industria de los smartphones, lideraremos el desarrollo de tecnologías y mercados futuros basados en nuestras capacidades tecnológicas únicas”, dijo Ki, compartiendo sus ambiciones futuras.

Samsung ha creado con éxito dispositivos ultra pequeños que capturan imágenes en alta definición a través de su innovadora tecnología de sensor de imagen. Samsung continuará liderando el mercado de sensores de imagen a través de sus innovaciones únicas, como el sensor de imagen ISOCELL, que brinda experiencias optimizadas y avanzadas a sus usuarios.

[1] El diámetro del área que se captura a través de la lente de la cámara.

[2] Un fenómeno donde la luz interfiere con los fotodiodos de píxeles adyacentes

[3] La relación entre las partes más brillantes y oscuras de una imagen digital.

[4] Una tecnología que amplía el alcance del brillo haciendo que las partes brillantes sean más brillantes y las partes oscuras más oscuras, de forma similar a como ve el ojo humano real.

“Para capturar momentos significativos en nuestras vidas, Samsung viene impulsando innovaciones en tecnologías de píxeles y lógica que permiten a los sensores de imagen ISOCELL tomar fotografías sorprendentes, incluso cuando las condiciones de iluminación no son ideales”, dijo Yongin Park, Vicepresidente ejecutivo del negocio de sensores en Samsung Electronics. “Al adoptar las tecnologías Nonacell y Smart-ISO, el ISOCELL Bright HM1 de 108 MP ayuda a tomar imágenes vívidas de alta resolución en una amplia gama de entornos de iluminación”.

En una escala de 1 / 1,33 pulg. con 108 millones de píxeles 0,8μm, el ISOCELL Bright HM1 presenta la primera tecnología Nonacell de última generación de la industria, que ofrece imágenes más brillantes en entornos con poca luz. En 2017, Samsung presentó Tetracell, una tecnología de agrupamiento de píxeles con un sistema especial de dos por dos que combina cuatro píxeles adyacentes para funcionar como un solo píxel grande. Nonacell es una versión mejorada de Tetracell, con una estructura de tres por tres píxeles. En el HM1, Nonacell combina nueve píxeles adyacentes de 0,8 μm para imitar un gran píxel de 2,4 μm, más del doble de la absorción de luz del Tetracell.

A medida que aumenta el número de celdas adyacentes, también aumenta la interferencia de color, lo que hace que las tecnologías de agrupamiento de píxeles sean más desafiantes. Esas dificultades reducían Nonacell a una teoría, pero HM1 logró ejecutar el método al adoptar la tecnología ISOCELL Plus de Samsung que reduce drásticamente el crosstalk y minimiza la pérdida óptica y la reflexión de la luz.

Para obtener los mejores resultados en cualquier condición de iluminación, el HM1 complementa a Nonacell con varias otras tecnologías avanzadas de píxeles. Por ejemplo, la tecnología Smart-ISO del HM1 produce imágenes vívidas y vibrantes al seleccionar de manera inteligente el ISO óptimo. Los ISO altos se usan en configuraciones más oscuras, mientras que los ISO bajos son mejores para entornos más brillantes para controlar la saturación de la luz.

En entornos de luz mixta, complicados para tomar fotografías, la tecnología HDR en tiempo real de HM1 optimiza las exposiciones, produciendo videos y fotografías fijas de aspecto más natural. Al asignar las longitudes de exposición más apropiadas a cada píxel, el HM1 puede capturar escenas en múltiples exposiciones simultáneamente, generando imágenes HDR en tiempo real para los modos de vista previa y captura. Para obtener resultados más nítidos, el HM1 admite una estabilización electrónica de imagen (EIS) basada en giroscopios y Super-PD, una tecnología de detección de fase avanzada para un enfoque automático rápido y preciso.

El HM1 permite a los usuarios obtener una vista previa y capturar tomas completas y primeros planos del sujeto con un zoom sin pérdida de hasta 3x, preservando la calidad de la imagen. Esto es posible gracias a que el sensor convierte directamente los píxeles utilizando una IP de hardware integrada, en lugar de delegar la tarea al procesador móvil. Con 108 millones de píxeles, el sensor también puede producir imágenes con un zoom de hasta 3x a una resolución de 12 MP sin upscaling.

Samsung ISOCELL Bright HM1 se encuentra actualmente en producción en masa.

*Samsung anunció por primera vez su tecnología ISOCELL en 2013, que reduce la interferencia de color entre píxeles al colocar una barrera física, lo que permite que los píxeles pequeños logren una mayor fidelidad de color. Basado en esta tecnología, Samsung presentó el primer sensor de imagen de píxeles 1,0 μm de la industria en 2015 y un sensor de 0,9 píxeles en 2017. En junio de 2018, Samsung presentó una tecnología mejorada de aislamiento de píxeles, ISOCELL Plus.