索尼CIS，霸權不再？

2020年8月，當時市場研究機構Omdia的數據顯示，索尼和三星之間的CMOS圖像傳感器的全球市場份額差距已大大縮小。

索尼的全球市場份額在2019年第三季度高達56.2％，後續卻一路走低，在2020年第二季度下降至42.5％。但三星的市場份額不降反升，從16.7％上升至21.7％，和索尼的份額差距從39.5個百分點縮小至20.8個百分點。

同年另一個研究機構Yole的市場數據也顯示，索尼市場份額縮小至40%，三星份額擴大至22%，而豪威也增長至11%，兩家合力從索尼身上割肉。

當時也有不少媒體發出了感概，索尼作爲市場龍頭的風採不再，三星和豪威後來者居上，有望瓜分索尼大部分市場份額，索尼半導體部門危矣，日本半導體又一次被韓系廠商擊落。

如今已經是2023下半年，三年時間過去，如今的圖像傳感器市場又是怎樣一番景象呢？

根據Yole發布的最新數據，2023年CIS市場具體廠商排名中，索尼繼續穩坐第一的位置，其市場份額回升至42%；排名第二的是三星，市場份額降至19%；豪威集團（Omnivision）的市場份額則回落至11%，接近疫情前的水平。

索尼收復了疫情前的大部分失地，而三星和豪威辛辛苦苦好幾年，一朝回到疫情前，甚至還把一部分市場份額拱手讓給了其他廠商，這是很多人未曾設想的情景。

索尼的CIS究竟出現了什么問題，讓三星豪威侵蝕了市場，又是憑借什么能夠持續佔據近半壁江山而不動搖呢？

從CCD到CMOS

索尼和圖像傳感器的緣分始於七十年代，當時，美國貝爾實驗室又發明了CCD (電荷耦合元件)，而在次年，索尼的一位工程師就對這項技術產生了濃厚興趣，並开始了對CCD的研究。並成功用64像素的CCD完成了字母“S”的投影，此事最終得到了索尼高層的重視，並正式立項，CCD作爲“電子眼”的开發工作自此开始。

索尼的CCD研發部門开始思考：“能否研發出一種半導體，可以將從鏡頭射入的光轉換爲電氣信號，並用該信號制作出圖像。”“如果可以以較低的成本制作出CCD圖像傳感器，攝像機的價格也會相應地降低。如此一來，攝像機會普及至普通家庭，攝影、攝像會成爲普通人的樂趣，成爲人們生活的一部分。”

在索尼开發CCD的過程中，幾乎所有進行同樣項目的競爭對手，都因爲技術難度太大選擇了退出，而索尼則是在壓下了內部的質疑聲後，用MCZ結晶方法克服了像素中灰塵污染的問題，成功在厚木市工廠开始生產12萬像素CCD。

1979年，新型CCD以“ICX008”的名義开始商業化（截至此時索尼在該項目總投資已達200億日元），1980年初，世界上第一台CCD相機——XC-1正式誕生，這台相機曾拍攝了全日空巨型飛機的起飛、着陸情況，並放映給機艙內乘客。

不過，此時由於還未建立無塵潔淨室，CCD易受到污染，從而導致產量極低，完成訂單二十六台相機所需的五十二個CCD芯片需要花費一年時間，單塊芯片的售價也高達317000日元。

在排除萬難解決潔淨問題後，1983年索尼終於實現了CCD的大規模生產，並於1985年初推出了首款搭載25萬像素CCD芯片的8毫米家用攝像機——CCD-V8。1989年，索尼發售8毫米攝像機一一“CCD-TR55”，並大獲成功、風靡一時，該機型極其輕巧，重量僅爲790克，是名副其實的“Handycam（掌中寶）”。此次成功成爲了索尼圖像傳感器業務獲得飛躍的契機。

1996年，索尼推出了Cyber-shot系列的DSC-F1，搭載35萬像素CCD的它成爲了索尼第一款數碼相機，同年索尼還宣布了正式开發CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，即CIS）。

2000年，索尼成功生產出了自己的第一款CMOS圖像傳感器（IMX001），對於索尼來說，CMOS具有一些CCD所不具備的優勢，即低功耗、低成本、高速率，更廣的適用範圍讓它成爲了新時代的寵兒。

索尼此時面臨着和當初英特爾一樣的抉擇，保大還是保小的難題又一次擺在了大家面前，後者曾果斷放棄DRAM，全力押注CPU，最終成爲半導體霸主，而前者此時還在CCD市場中佔據最大份額，相機廠商還在不斷追加訂單，面對新技術和舊技術打架的情況，索尼思慮了良久，最終還是選擇了未來前景更廣闊的CMOS。

2004年，索尼決定停止投資增加 CCD 的產量，將後續投資重點放在开發 CMOS 圖像傳感器上，而在全面轉向CMOS之後，索尼在該領域的技術更新幾乎達到了井噴式的地步：

2007年，索尼將配備獨特列A/D轉換電路的CMOS圖像傳感器商業化，實現了高速和低噪聲；2009年，索尼將背照式CMOS圖像傳感器商業化，其靈敏度是傳統產品的兩倍，性能已經超越了人眼；2012年，索尼將堆疊式CMOS圖像傳感器商業化，通過像素部分和信號處理部分的堆疊結構實現了高分辨率、多功能和小型化，並於2015年在全球率先將其商業化……

雖然聽上去很輕巧，但索尼的CMOS之路走得比CCD要坎坷得多，原因無他，固守CCD市場的日系廠商目光遠沒有後來那么長遠，和90年代的五大日本半導體廠一樣，既然在自己一畝三分地能夠活得滋潤，那爲什么要冒着風險去嘗試自己所不熟悉的領域呢？

CMOS技術的天時還在美國，1990年代早期，位於美國加州Pasadena的JPL开始CMOS圖像傳感器的研究，最終1990年代中期催生了Photobit公司，並於2001年被美光半導體（Micron Technology）收購。

在收購之前，Photobit 的 CMOS 傳感器已經搭載於羅技和英特爾生產的網絡攝像頭之中，由於技術大部分源於美國，美光和豪威更容易獲取到技術授權，早期 CMOS 傳感器市場也由這部分美國制造商主導，在經歷日本廠商的長期統治後，美光和豪威短暫地奪回了市場份額。

不過CMOS最終還是需要一個廣闊的應用市場，而美國此時已經沒有大規模的數碼相機廠商來和日系廠商競爭了，根據Yole的調查，2009年時CMOS市場排名前五的廠商，分別是Aptina imaging（美光子公司）、索尼、三星、豪威和佳能，美日韓三分市場。

真正改變美日廠商之間對比，是消費市場的風向轉變，智能手機的崛起，迅速擠壓着數碼相機的生存空間，數碼相機從全球年銷量1億余台快速滑落，而智能手機卻以一條陡然上升的直线，迅速成爲了所有傳感器廠商眼中的香餑餑。

而早期智能手機裏，最受關注的自然就是蘋果iPhone，得iPhone者得CMOS天下，而蘋果的選擇呢？

初代iPhone和iPhone 3G選擇的是美光旗下的Aptina imaging，這一點倒也不難理解，作爲美國本土公司，又是CMOS市場的領導者，擁有着更爲成熟的技術，成本相對也較低，成爲合作夥伴似乎就是水到渠成的事情。

但美光在2008年之後遇到了大難題，韓系廠商在內存上搞起了反周期投資，爾必達走到了破產的邊緣，美光也沒好到哪裏去，最終不得已拆分Aptina imaging，母公司都沒錢了，子公司當然也沒什么機會對技術進行更迭了。

蘋果的第二任是豪威，iPhone 3GS和iPhone 4均搭載了豪威的傳感器，同樣是美國的CMOS廠商，選擇它的理由簡單而又粗暴，豪威的傳感器支持自動對焦，而前兩代使用 Aptina 傳感器的 iPhone 均爲固定焦點，不支持自動對焦，都智能手機了，不支持自動對焦就像是瘸了一條腿，也沒辦法讓消費者滿意。

而蘋果最後一任也是現任，就是索尼了，從iPhone 4s到最新的iPhone 14 Pro Max，後置攝像頭清一色的索尼，從上圖的我們也能看到，索尼在背照式傳感器上的發展明顯比OV更快，前一代剛爬升至500萬像素，後一代索尼已經能做到800萬像素，單個像素尺寸做到了1.4微米，因而得到了蘋果的青睞。

上了蘋果這艘大船後，索尼的CMOS可謂是順風順水，隨着iPhone在全球的熱銷，迅速帶起一股索尼CMOS圖像傳感器的風潮，從國內的華米OV，到海外的三星LG等廠商，紛紛用上了索尼牌CMOS，而索尼也自此確定了業界的霸主地位。

精益求精的CMOS

事實上，索尼能夠在CMOS發展裏做到後來者居上，天時地利缺一不可。

天時指的是半導體周期的變化，迫使美光退出CMOS傳感器市場，而地利呢，就是索尼在圖像傳感器領域作爲IDM廠商的優勢，OV作爲Fabless廠商，依靠的是台積電代工，難以快速迭代技術，迅速在智能手機市場中掉隊。

而索尼產研一體，能夠迅速針對市場變化推出相對應的產品，如2012年索尼首創的堆棧式CMOS圖像傳感器：

圖像傳感器主要有兩部分構成，像素部分是將光轉換爲電氣信號的部分，而线路部分則是處理這些信號的部分，通過技術改良，索尼將兩部分安裝爲同一基板上，使用有信號處理電路的芯片替代了之前常見的背照式CMOS圖像傳感器中的支持基板，在芯片上重疊形成背照式CMOS元件的像素部分，從而實現了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點的工藝。

更關鍵是，由於像素部分和電路部分是獨立設計的，因此像素部分可以針對高畫質優化，電路部分可以針對高性能優化，在保證影像畫質的前提下，還能大幅提升成像速度，同時還縮減了傳感器體積，天然契合於智能手機，在2012年Find X5首發之後，迅速在主流手機廠商中得到普及，IMX加後綴的傳感器成爲了旗艦代名詞。

2017年，索尼又在原先雙層堆棧的結構上，再增加一層DRAM芯片——用以提升CMOS數據處理速度，從而推出了三層堆棧式產品IMX400。

相較於雙層堆棧，三層堆棧最大的特點就是在像素和電路層中間，加入了DRAM層，爲了實現高速數據讀取，用於將模擬視頻信號從像素轉換爲數字信號的電路從2層結構倍增到4層結構，以便提高處理能力，而使用DRAM來臨時存儲高速讀取的信號，使得能夠以標准規格中的最佳速度輸出數據。

根據索尼官方提供的數據，配備了DRAM的傳感器可實現快速數據讀取速度，能夠捕獲高速運動中的物體的最小失真度的靜止圖像，還支持在全高清（1920 x 1080像素）模式下拍攝1000幀/秒（約比傳統產品快8倍）的視頻，實現超慢回放。

當年索尼的Xperia XZ Premium在搭載了IMX 400的情況下，可以完成960幀的慢動作視頻錄制，將以只有專業設備才具備的功能帶到了小巧的手機之上，而且這項功能僅限於索尼CMOS，同時期的三星豪威並沒有對標的產品。

2021年12月，索尼宣布成功开發出全球首創的CMOS圖像傳感器技術，新技術能夠有效解決陰暗差（例如背光環境）場景和光线不足（例如夜間環境）場景的各種問題。

之前的堆棧式CMOS的光電二極管和像素晶體管分布於同一基片，而索尼這項新技術則將兩者分離在不同的基片層，從而使得對這兩者的獨立優化成爲了可能；進而讓飽和信號量得到翻倍提升，並擴大了動態範圍。

此外，因爲傳輸門以外的像素晶體管，包括復位晶體管、選擇晶體管和放大晶體管，都處於無光電二極管分布的那一層，所以放大二極管的尺寸可以增加，從而大幅改善了暗光環境下圖像容易產生噪點的問題。

根據TechInsights 的拆解，索尼 Xperia 1V 上首發搭載的“雙層晶體管像素堆疊式” IMX888，傳感器大小爲 11.37 x 7.69mmm，總像素爲 4800 萬，單個像素間距爲 1.12 µ m ，每一個像素都採用左右光電二極管分列的結構，以實現 PDAF 對焦。

拆解顯示，IMX888有三層有源硅，圖像信號處理器（ISP）使用直接鍵合接口（DBI）堆疊到 "第二層"CMOS 圖像傳感器（CIS）上。圖 1 顯示了陣列的 SEM 截面圖。光线通過微透鏡和彩色濾光片從圖像底部進入。每個像素由光柵（復合層）隔开，以提高量子效率。每個光電二極管之間採用前端深槽隔離。該層還有一個平面傳輸柵，用於將光電電荷從二極管傳輸到浮動擴散區。

第一層之上是 "第二層 "硅，每個像素包含三個晶體管：復位、放大器（源跟隨器）和選擇晶體管。這些晶體管位於第二層硅之上，通過 "深接觸 "實現與第一層的連接，並穿過第二層，基本上形成了一個硅通孔（TSV）。最後，ISP 位於第二層的金屬化層上，採用混合（直接）鍵合方式連接。

這種結構的關鍵在於一種工藝，它能承受產生熱氧化物和激活第二層注入所需的熱循環。索尼公司詳細介紹了這一工藝（IEDM 2021，"CMOS 圖像傳感器的三維順序工藝集成"）。

圖 2顯示了該工藝，第一層光電二極管和透射柵極形成後，對第二層進行晶圓鍵合和減薄。只有這樣才能形成第二層柵極氧化物並激活注入。最後，形成深度接觸，蝕刻穿過第二層，接觸到器件的第一層。

圖 3 更詳細地顯示了第一層和第二層之間的界面。透射柵極（圖中的 TG）與第二層的第一金屬層相連。稍長的深觸點位於樣品表面以下，在圖像中部分可見。它們連接第一層和第二層之間的浮動擴散節點。次局部連接（低於樣品表面）用於將第一層上方的四個光電二極管與復位場效應晶體管的源極和 AMP（源極跟隨器）場效應晶體管的柵極互連。

圖 4 詳細討論了次局部連接。這是底層第一層的平面 SEM 圖像。黃色方框勾勒出像素輪廓，PDL 和 PDR 分別代表左右兩個光電二極管。每個像素覆蓋一個微型透鏡。它表示次局部連接，用於連接兩個像素的浮動擴散和四個像素的接地。

TechInsights表示，索尼採用雙層結構有多方面的優勢，首先，即使像素間距縮小，也能保持光電二極管的全部阱容量，而後，亞局部接觸的使用減少了浮動擴散的電容，提高了像素的轉換增益，最後由於第二層的可用面積增加，AMP（源極跟隨器）晶體管的面積也隨之增加，從而降低了器件通道中產生的噪聲（閃爍和電報）。

索尼VS三星VS豪威

對於索尼來說，“雙層晶體管像素堆疊式”可謂是既三層堆棧式之後又一大技術上的利器，也有消息稱今年的iPhone 15有望搭載採用這一技術的CMOS，如果最終得以成行，那么索尼傳感器部門有望迎來新一輪的高速增長。

不過，索尼的最大的問題依舊出在自身，產研一體的模式固然讓索尼在CMOS早期的市場中佔得先機，以最強勢的姿態奪走了美光和豪威的市場份額，甚至同室操戈，壓制住了日本本土的其他的傳感器廠商。

但當產業落後於研究時，曾經的優勢一下子就變成了絆腳石，早在2019年，三星電子就推出了0.7μm級像素工藝產品，基於0.7μm級像素工藝加工而成的1.08億像素傳感器，與使用0.8μm級像素工藝的傳感器相比，最多可以減少15%的體積，攝像頭模組的高度最多可以減少10%，從而在一定程度上解決攝像頭凸起的問題。

而索尼呢，2018年發布行業首個 0.8μm 像素圖像傳感器（IMX586），四年後才終於推出了自家首個 0.7μm 像素圖像傳感器方案 IMX758（搭載在 vivo X90 Pro+ 上），三年多的空白，等於把億級像素的市場拱手讓給了三星，且目前三星的ISOCELL HP1已經做到0.64μm像素，HP3達到了0.56μm像素，以往索尼能夠自傲的高像素，反倒成爲了它落後的標志。

當然，不止三星，豪威在去年就發布了0.56μm的2億像素圖像傳感器OVB0A，當索尼的1億像素姍姍來遲之際，對上的卻是隔壁兩家开始普及的2億像素。

而背後的原因非常簡單，一塊CMOS通常分成模擬層、數字層以及DRAM 層，模擬層一般由索尼自己生產，而數字層以及DRAM層則會找如台積電等代工廠生產，這種模式在智能手機發展的初期並沒有太多問題，因爲彼時大部分手機傳感器都停留在2000萬像素之下，但當索尼推出IMX586之後，高像素加多像素合一的模式瞬間就熱門賽道，三星和豪威加入到這場新的战爭之中。

這時候索尼就發現問題了，自家的晶圓代工廠依舊停留在65nm工藝，也就是說模擬層只能用65nm工藝，而隔壁三星有自家半導體部門主力，豪威背靠台積電這顆大樹，這兩家輕松用上了28nm制程的模擬層，而索尼則是看着自家不成器的代工廠，陷入了只能幹瞪眼的尷尬境地。

另外，由於模擬層是自產自銷，因而自家代工廠的產能也是一個問題，隔壁三星和豪威背後有一堆代工廠可以依靠，而索尼自己的代工廠在早期小尺寸CMOS大行其道時還算夠用，在高像素大底流行起來後，產能徹底跟不上了，而額外產线也不是說加就能加的，在新的工廠竣工前，同樣只能幹瞪眼。

可以說，索尼的CMOS崛起之路，頗有些日本工匠精神在裏頭，不斷推陳出新的技術，讓它受到了手機廠商的青睞，不論是堆棧式，還是0.8μm的高像素，都引一時潮流，讓三星豪威競相追趕。

但索尼CMOS的至暗時刻，同樣沿襲了日本半導體，高超的技術無法彌補制程工藝上的差距，早期的順風順水讓它失去了長遠目光，既沒有與台積電進一步合作，也沒有升級自己的工藝，最終這部分債，花了三四年時間都沒有完全還清。

知名果鏈分析師郭明錤近日爆料稱，蘋果iPhone 15標准版的高端CIS將升級到48MP並大量採用新設計，因良率低故索尼不得不將分配給蘋果手機的CIS產能提升100–120%以滿足需求，導致安卓高端CIS供應大幅下降。

而這又一次給了其他廠商機會，郭明錤表示，豪威的高端CIS(64MP+)訂單將自2023年下半年开始顯著增長，其高端CIS市佔率，預計將自2023年的3–5%，分別增長至2024年與2025年的10–15%與20–25%，有利長期目標與利潤增長。