CN102623475A - 层叠式cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种层叠式CMOS图像传感器，至少包括衬底层、层叠覆盖在衬底层上的感光叠层、以及像素读出单元，其中，列总线、放大器、电流源单元、及图像处理单元位于衬底层中；感光叠层包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收不同波段光的多个感光层，且各该感光层中至少包括一个开关元件以及与其相连接的一个感光元件；像素读出单元位于衬底层中或位于感光叠层中的至少一个感光层中。本发明采用无滤光片的层叠式结构的感光叠层，可实现一个像素具有检测不同波段光的能力，不仅降低了成本及复杂度，而且大大提高了图像传感器的转换效率、图像质量和集成度。

Description

层叠式CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器，特别是涉及一种层叠式CMOS图像传感器，属于半导体技术领域。
背景技术
众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
CMOS图像传感器一般由感光元件和CMOS信号处理电路构成。目前常见的CMOS图像传感器是有源像素型图像传感器(APS)，根据其包括的晶体管的数目主要划分为包括复位晶体管(Reset Transistor，RST)、源跟随晶体管(Source Follower Transistor，SF)和行选择晶体管(Row Select，RS)的三管图像传感器(3T型)和包括复位晶体管(RST)、源跟随晶体管(SF)、行选择晶体管(RS)和转移晶体管(Transfer Transistor，TX)的四管图像传感器(4T型)两大类。
一方面，现有的CMOS图像传感器检测可见光时，通常先使用红、绿、蓝三种颜色的滤光片阻挡其他光线通过，再通过图像传感器(通常为光电二极管或者CCD)检测相应颜色的光。这种被广泛用于检测自然光的带有红、绿、蓝三种颜色滤光片的图像传感器至少存在以下缺点：首先，由于一个像素点是由三个或更多个图像传感器组成，造成图像传感器面积较大，因而不可避免的会导致图像质量变差；其次，滤光片本身的性能会随着温度的变化和时间的推移而改变，进而影响成像的质量；最后，由于要使用滤光片，因此导致成本的增加。尽管目前的棱镜分光3CCD技术可以解决上述问题，但其带来的成本的增加也是相当巨大的。
另一方面，现有的CMOS图像传感器对于紫外光、可见光、红外光的检测通常都是分别进行的，并没有一种可以同时检测几种不同波段光的图像传感器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种层叠式CMOS图像传感器，用于解决现有技术中检测自然光的图像传感器使用滤光片引起的图像传感器面积较大和滤光片本身的性能变化导致图像质量变差、以及增加图像传感器成本的问题，还用于解决现有技术中需要使用不同的图像传感器来实现紫外光、可见光、红外光检测的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种层叠式CMOS图像传感器，至少包括：
衬底层，至少包括位于其中的列总线、放大器、用以提供恒定电流的电流源单元、及用以图像处理的图像处理单元，其中，所述图像处理单元至少包括时钟和控制电路，行、列、层解码电路，采样保持电路，模数转换器，图像处理器；所述放大器和电流源单元均与列总线相连；
感光叠层，层叠覆盖所述衬底层表面，用以同时吸收不同波段的光，至少包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收各该不同波段光的多个感光层，且各该感光层中至少包括一个开关元件以及与其相连接的一个感光元件；
像素读出单元，位于衬底层中或位于所述感光叠层中的至少一个感光层中，至少包括连接所述感光层的复位晶体管、连接所述复位晶体管及感光层的源跟随晶体管，以及连接所述源跟随晶体管的行选择晶体管。
可选地，所述感光叠层至少包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收第一波段光的第一感光层、及层叠在所述第一感光层上的用于吸收第二波段光的第二感光层。
可选地，所述感光叠层还包括层叠在所述第二感光层上的用于吸收第三波段光的第三感光层。
可选地，所述第一感光层中通过对锗进行掺杂形成用以吸收红外光的锗材料感光元件，所述第二感光层中通过对硅进行掺杂形成用以吸收可见光的硅材料感光元件，所述第三感光层中通过对碳化硅进行掺杂形成用以吸收紫外光的碳化硅材料感光元件。
可选地，各该感光层的材料为禁带宽度与所需吸收的光子能量相匹配半导体材料，分别选自碳化硅、硅、锗、或锗硅，或分别选自经掺杂的碳化硅、硅、锗、或锗硅。
可选地，所述感光叠层中的各该感光层为同种半导体材料。
可选地，所述的衬底层与感光叠层之间具有绝缘层、或/及所述感光叠层中各感光层之间具有绝缘层。
可选地，所述感光叠层中的感光层为由多个感光子层组成的复合感光层。
可选地，各该感光子层之间具有绝缘层。
可选地，所述感光叠层的各该感光元件为PN结光电二极管、针扎式光电二极管、或光电门中的至少一种。
可选地，所述像素读出单元位于所述的感光叠层的一个感光层中，所述感光叠层的所有感光元件共用所述像素读出单元，且各该感光元件与所述像素读出单元之间通过各该感光元件对应的一个开关元件连接，其中，所述的感光叠层与像素读出单元形成一像素模块。
可选地，多个所述像素读出单元分别位于所述的感光叠层的多个感光层中，所述感光叠层的所有感光元件对应所述的多个像素读出单元，且所述的感光叠层的每个感光元件通过其各自对应的一个开关元件只与一个所述像素读出单元连接，其中，所述的感光叠层与多个所述像素读出单元形成一像素模块。
可选地，所述的像素读出单元位于衬底层中，所述感光叠层的所有感光元件共用所述像素读出单元，其中，所述感光叠层即为一像素模块。
如上所述，相对于现有的CMOS图像传感器而言，本发明的层叠式CMOS图像传感器，具有以下有益效果：
1)本发明由于采用了无滤光片的设计，降低成本的同时也避免了滤光片引起的图像质量变差等问题；
2)本发明由于采用层叠式结构的感光叠层，使所需电路结构可以做在单独的一层上(衬底层)，从而大大提高填充因子，进一步提高图像的质量；
3)本发明由于采用层叠式结构的感光叠层，使一个像素具有检测不同波段光的能力，一次曝光可以同时获得紫外光、可见光和红外光等信息，可以通过一块芯片获得多种信息，不仅降低了成本及复杂度，而且大大提高了转换的效率和图像质量；
4)本发明提供的层叠式CMOS图像传感器，可用以实现可见光的精准成像，将红、蓝、绿光感光器件制备在位于半导体衬底同一区域的不同叠层上，进一步提高了图像传感器的集成度。
附图说明
图1显示为本发明层叠式CMOS图像传感器在实施例一中的等效电路结构示意图。
图2a至图2e显示为本发明层叠式CMOS图像传感器的感光叠层为不同结构时的三维结构示意图。
图3显示为本发明层叠式CMOS图像传感器中不同波段光的强度与进入材料深度的关系示意图。
图4a至图4b显示为本发明层叠式CMOS图像传感器中不同组成的像素模块对应的等效电路结构示意图。
图5显示为本发明层叠式CMOS图像传感器在实施例二中的等效电路结构图示意图。
元件标号说明
1      衬底层
11     列总线
12     放大器
13                                           电流源单元
14                                           图像处理单元
2                                            感光叠层
21                                           红外光感光层
22                                           可见光感光层
22a、22b、22c                                可见光感光层的感光子层
23                                           紫外光感光层
21’                                         红光感光层
22’                                         绿光感光层
23’                                         蓝光感光层
212、222、232、212’、222’、232’           PN结光电二极管、感光元件
2111、2211、2311、2111’、2211’、2311’     开关元件
3、3’                                       像素读出单元
31、31’                                     复位晶体管
32、32’                                     源跟随晶体管
33、33’                                     行选择晶体管
341、342、343                                转移晶体管
351、352、353                                浮动扩散区
41、421、422、422a～c、41″、421″、422″    绝缘层
5、5’                                       像素模块
6、6’                                       像素模块阵列
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，以下具体实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
现有的检测可见光的CMOS图像传感器为带有红、绿、蓝三种颜色滤光片的图像传感器，由于滤光片的使用，导致成本的增加，引起图像传感器面积较大导致图像质量变差，而且滤光片本身的性能变化也影响成像的质量；现有的CMOS图像传感器对于紫外光、可见光、红外光的检测通常都是分别进行的，并没有一种可以同时检测几种不同波段光的图像传感器。
鉴于此，本发明提供一种层叠式CMOS图像传感器，至少包括衬底层、层叠覆盖在衬底层上的感光叠层、以及像素读出单元，其中，列总线、放大器、电流源单元、及图像处理单元位于衬底层中；感光叠层包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收不同波段光的多个感光层，且各该感光层中至少包括一个开关元件以及与其相连接的一个感光元件；像素读出单元位于衬底层中或位于感光叠层中的至少一个感光层中。本发明采用无滤光片的层叠式结构的感光叠层，可实现一个像素具有检测不同波段光的能力，不仅降低了成本及复杂度，而且大大提高了图像传感器的转换效率、图像质量和集成度。
实施例一
如图1至图4所示，本发明提供一种层叠式CMOS图像传感器，至少包括：
位于衬底层1中的列总线11、放大器12、电流源单元13、及图像处理单元14；层叠覆盖在所述衬底层1上的感光叠层2中的用于吸收不同波段光的多个感光层，在本实施例一中，为用于吸收三个波段光的三个感光层，其中，第一感光层为红外光感光层21，第二感光层为可见光感光层22、第三感光层为紫外光感光层23；以及至少包括复位晶体管31、源跟随晶体管32、以及行选择晶体管33的像素读出单元3，在本实施例一中，所述层叠式CMOS图像传感器为4T型，则所述像素读出单元3还包括分别位于各该感光层的转移晶体管341～343和浮动扩散区351～353。
所述衬底层1材料为半导体材料或有机薄膜材料，其中，所述半导体材料为硅、锗、或锗硅，所述有机薄膜材料为ZnO-TFT，所述衬底层1的结构为单一材料的半导体结构或带绝缘埋层的半导体结构，在本实施例一中，所述衬底层1为体硅，但不局限于此，在另一实施例中，所述衬底层1为绝缘体上锗(GOI)。
如图1所示，所述衬底层1至少包括位于其中的：
所述列总线11与所述的放大器12、电流源单元13和像素读出单元3相连接。
所述放大器12用以放大经所述的像素读出单元3读出的包含像素信息的电信号，其中，一个输入端与所述列总线相连，另一个输入端接地，并将放大后的包含像素信息的电信号输出至所述图像处理单元14。
所述电流源单元13包括用以提供恒定电流的电路(未图示)，使所述像素读出单元3中的源跟随晶体管32的栅源电流(Ids)保持恒定，以供保证源极电压与栅极电压差恒定，从而达到源电压跟随栅极电压的目的，其中，所述电流源单元13的一端与所述的列总线11和放大器12相连接，另一端接地。
所述图像处理单元14与所述放大器12的输出端相连，至少包括时钟和控制电路，行、列、层解码电路，采样保持电路，模数转换器，图像处理器(未图示)，用以将经放大器12放大过的包含像素信息的电信号进行图像处理。
如图2a所示，所述感光叠层2层叠覆盖在所述衬底层1上，至少包括层叠覆盖在所述衬底层1上的用于吸收不同波段光的多个感光层，在本实施例一中，层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收第一波段光(红外光)的第一感光层为红外光感光层21，层叠在所述第一感光层(红外光感光层21)上的用于吸收第二波段光(可见光)的第二感光层为可见光感光层22，及层叠在所述第二感光层(可见光感光层22)上的用于吸收第三波段光(紫外光)的第三感光层为紫外光感光层23，各该感光层的材料为禁带宽度与所需吸收的光子能量相匹配半导体材料，分别选自碳化硅、硅、锗、或锗硅，或分别选自经掺杂的碳化硅、硅、锗、或锗硅，其中，在本实施例一中，所述红外光感光层21为锗(Ge)材料，所述可见光感光层22为硅(Si)材料，所述紫外光感光层23为碳化硅(SiC)材料，但不局限于此，在另一实施例中，各该感光层的材料可为同种半导体材料。
各该感光层中至少包括一个开关元件以及与其相连接的一个感光元件，各该感光元件为PN结光电二极管、针扎式光电二极管(Pinned Diode)、或光电门中的至少一种，其中，所述感光元件用于本发明的图像传感器在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成包含像素信息的电信号，在本实施例一中，各该感光层中的感光元件均为PN结光电二极管，但并不局限于此，在另一实施例中，也存在各该感光层中的感光元件类型均不相同情况，即分别为PN结光电二极管、针扎式光电二极管、及光电门的一种(未图示)；所述开关元件均包括一个NMOS晶体管、多个并联或串联的NMOS晶体管、一个PMOS晶体管、或多个并联或串联的PMOS晶体管，在本实施例一中，所述开关元件均为一个NMOS晶体管。
需要说明的是，本实施例一中所述感光叠层2中的感光层个数为三个(第一感光层为红外光感光层21，第二感光层为可见光感光层22、第三感光层为紫外光感光层23)，但并不仅局限于此，在另一实施例中，所述感光叠层2中的感光层个数也可以为只用于吸收两种不同波段光的两个感光层，其包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收第一波段光的第一感光层及层叠在所述第一感光层上的用于吸收第二波段光的第二感光层；当然，在其他实施例中，所述感光叠层2中的感光层个数也可以为四个感光层或更多个感光层，在此不再一一赘述。
需要进一步说明的是，所述感光叠层2中的感光层可为由多个感光子层组成的复合感光层，在本实施例一中，即所述的第一感光层(红外光感光层21)、第二感光层(可见光感光层22)、或第三感光层(紫外光感光层23)可分别或同时为由多个感光子层组成的复合感光层，例如，图2b所示的是只有所述可见光感光层22为由多个感光子层(22a～22c)组成的复合感光层的情况。
需要指出的是，为了避免各该感光层之间的串扰，影响图像质量，因此所述的衬底层1与感光叠层2之间采用绝缘层、或/及所述感光叠层2中各感光层之间采用绝缘层进行隔离；需要进一步指出的是，所述绝缘层4为单层结构或叠层结构，其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的任意一种。如图2c所示，在本实施例一中，所述的衬底层1与感光叠层2之间采用单层绝缘层41、及所述感光叠层2中各感光层之间采用绝缘层(包括位于所述的红外光感光层21与可见光感光层22之间的单层绝缘层421，及所述的可见光感光层22与紫外光感光层23之间的单层绝缘层422，此时各该感光层均为不包含感光子层情况，为单层结构)进行隔离；在另一实施例中，当所述感光叠层2中感光层为由多个感光子层组成的复合感光层时，各该感光子层之间具有绝缘层，例如，图2d所示的只有所述可见光感光层22为由多个感光子层(22a～22c)组成的复合感光层的情况，其各该感光子层(22a～22c)之间具有单层绝缘层422a～422c；进一步，在其他实施例中，如图2e所示，所述红外光感光层21、可见光感光层22及紫外光感光层23均为单层结构，但所述绝缘层41”、421”及422”为氮化硅和氮氧化硅的叠层结构的绝缘层。
具体地，在本实施例一中，如图2c所示，所述的第一感光层(红外光感光层21)、第二感光层(可见光感光层22)及第三感光层(紫外光感光层23)均为单层结构，且各感光层之间采用绝缘层(包括位于所述的红外光感光层21与可见光感光层22之间的绝缘层421，及所述的可见光感光层22与紫外光感光层23之间的绝缘层422)进行隔离，同时，所述的衬底层1与感光叠层2之间采用绝缘层41进行隔离，且所述绝缘层41、421及422均为单层结构的氮化硅绝缘层；如图2c所示，在本实施例一中，各该感光层中的感光元件均为PN结光电二极管；如图1所示，在本实施例一中，所述开关元件均为一个NMOS晶体管，当其栅极加高电压时，所述开关元件闭合呈导通状态，当其栅极接地时，所述开关元件打开呈断开状态。
进一步，在本实施例一中，如图1所示，所述红外光感光层21中包括一个开关元件2111以及与其相连接的一个感光元件(PN结光电二极管)212，其中，在所述红外光感光层21中，通过对锗进行掺杂形成锗PN结光电二极管感光元件212，包括P型区和N型区，所述P型区接地，所述开关元件2111的一端与所述像素读出单元3相连接，且在本实施例一中，所述开关元件2111的另一端连至位于红外光感光层21中的浮动扩散区(Floating Diffusion，FD)351(实施例一中，本发明图像传感器为4T型，感光元件(PN结光电二极管)212的N型区通过转移晶体管(Transfer Transistor，TX)341连接至浮动扩散区351)，但并不局限于此，在另一实施例中，当本发明图像传感器为3T型时，所述开关元件2111的另一端连至PN结光电二极管212的N型区；在本实施例一中，如图1所示，所述可见光感光层22中包括一个开关元件2211以及与其相连接的一个感光元件(PN结光电二极管)222，其中，在所述可见光感光层22中，通过对硅进行掺杂形成硅PN结光电二极管感光元件222，包括P型区和N型区，所述P型区接地，所述开关元件2211的一端与所述像素读出单元3相连接，且在本实施例一中，所述开关元件2211的另一端连至位于可见光感光层22中的浮动扩散区(FloatingDiffusion，FD)352(实施例一中，本发明图像传感器为4T型，感光元件(PN结光电二极管)222的N型区通过转移晶体管(Transfer Transistor，TX)342连接至浮动扩散区352)，但并不局限于此，在另一实施例中，当本发明图像传感器为3T型时，所述开关元件2211的另一端连至PN结光电二极管222的N型区；在本实施例一中，如图1所示，所述紫外光感光层23中包括一个开关元件2311以及与其相连接的一个感光元件(PN结光电二极管)232，其中，在所述紫外光感光层23中，通过对碳化硅(SiC)进行掺杂形成碳化硅PN结光电二极管感光元件(PN结光电二极管)232，包括P型区和N型区，所述P型区接地，所述开关元件2311的一端与所述像素读出单元3相连接，且在本实施例一中，所述开关元件2311的另一端连至位于紫外光感光层23中的浮动扩散区(Floating Diffusion，FD)353(实施例一中，本发明图像传感器为4T型，感光元件(PN结光电二极管)232的N型区通过转移晶体管(Transfer Transistor，TX)343连接至浮动扩散区353)，但并不局限于此，在另一实施例中，当本发明图像传感器为3T型时，所述开关元件2311的另一端连至PN结光电二极管232的N型区。
需要特别指出的是，不同波长的光在同一半导体材料中具有不同的响应特性，只有当半导体能带宽度EG小于入射光的光子能量Eph(Eph＝hυ＝hc/λ)时，半导体才会吸收光子并产生电子-空穴对，不同半导体材料对不同波长光吸收的强弱可用吸收系数a表示，P(x)＝P0×exp(-ax)，其中，P0为入射光强度，P(x)为半导体内光程x处光强度，当x＝1时，P(d)＝P0×e，定义d为光子穿透深度。吸收系数a＝a(λ)是波长的函数，它强烈依赖于波长，吸收系数随波长的减小而迅速增大，即：半导体材料要吸收不同波长的光，需要不同的入射光程，波长越短，半导体材料对光的吸收系数越大，完全吸收入射光、实现光电转换需要入射光在半导体内传输的有效光程越短，反之则越长。换言之，不同波长的入射光在同一半导体材料中被吸收时，各该不同波长的入射光进入半导体材料的深度不同。
为了便于同时吸收不同波段的光，使本发明的图像传感器具有检测不同波段光的能力，则本发明用以吸收光的所述感光叠层2采用叠层结构，由于各该感光层在感光叠层2中所处的位置不同，因此当各该感光层为同种半导体材料时也可以吸收不同波段的光。
如图3所示，在本实施例一中，紫外光、可见光和红外光为三个波段不同的光，其中波长相对最短的紫外光在距离入射表面较近的d1位置几乎全部被吸收，可见光在距离入射表面相对居中的d2位置(d2相对于d1和d3，位于中间位置)几乎全部被吸收，而三个波段中波长相对最长的红外光主要在距离入射表面较远的d3位置几乎全部被吸收。鉴于上述理论，在本实施例一中，所述的紫外光感光层23层叠在可见光感光层22上，位于感光叠层2中上层部分，用以将紫外光在距离入射面(感光叠层2的表面)的较近的位置几乎全部被吸收，紫外光感光层23的底部距入射面(感光叠层2的表面)的距离r3(或紫外光感光层为复合感光层，其各子层的厚度总和)在0和d2之间；所述的可见光感光层22层叠在所述红外光感光层21上，位于感光叠层2的中层部分，用以将可见光在距离入射面(感光叠层2的表面)的相对居中的位置几乎全部被吸收，可见光感光层22的底部距入射面(感光叠层2的表面)的距离r2(或可见光感光层为复合感光层，其各子层的厚度总和)在r3和d3之间；所述的红外光感光层21层叠覆盖在衬底层1上，位于感光叠层2中下层部分，用以将红外光在距离入射面(感光叠层2的表面)的较远的位置几乎全部被吸收，红外光感光层21的底部距入射面(感光叠层2的表面)的距离r1(或红外光感光层为复合感光层，其各子层的厚度总和)大于r2。
同理，在另一实施例中，对可见光而言，由于蓝光、绿光和红光的波长为递增情况，因此蓝光吸收在最靠近入射面(感光叠层2的表面)的区域，红光的吸收则集中在距离入射面(感光叠层2的表面)较远的内部区域，绿光的吸收区域介于二者之间。
需要进一步说明的是，通常半导体的禁带宽度与某一波段光的光子能量相匹配时，该波段光可以被很好的吸收，因此，所述感光叠层2中各该感光层的材料为禁带宽度与所需吸收的光子能量相匹配半导体材料，其中，在本实施例一中，为了更好的吸收紫外光，紫外光感光层23采用禁带宽度比较大的材料碳化硅；为了更好的吸收可见光，可见光感光层22采用中等禁带宽度的材料硅；为了更好的吸收红外光，红外光感光层21采用禁带宽度最小的材料锗。
所述像素读出单元3(未图示)位于衬底层1中或位于所述感光叠层2中的至少一个感光层中，用以将所述感光叠层2获得的包含像素信息的电信号(各该感光元件在曝光时进行光电转换将接收到的光信号转换成包含像素信息的电信号)，受电流源单元13影响经列总线11和放大器12读出至图像处理单元14，至少包括连接所述感光层的复位晶体管31(ResetTransistor，RST)、连接所述复位晶体管31及感光层的源跟随晶体管32(Source FollowerTransistor，SF)，以及连接所述源跟随晶体管32的行选择晶体管33(Row Select，RS)，其中，所述的复位晶体管31、源跟随晶体管32、及行选择晶体管33均包括一个NMOS晶体管、多个并联或串联的NMOS晶体管、一个PMOS晶体管、或多个并联或串联的PMOS晶体管中的一种。
需要指出的是，所述层叠式CMOS图像传感器为3T型图像传感器或4T型图像传感器，其中，所述4T型图像传感器的像素读出单元3(未图示)还包括位于各该感光层中对应各自感光元件的转移晶体管(Transfer Transistor，TX)341～343和浮动扩散区(Floating Diffusion，FD)351～353，其中，所述的转移晶体管包括一个NMOS晶体管、多个并联或串联的NMOS晶体管、一个PMOS晶体管、或多个并联或串联的PMOS晶体管中的一种。
在本实施例一中，所述层叠式CMOS图像传感器为4T型图像传感器，所述的复位晶体管31、源跟随晶体管32、行选择晶体管33、及转移晶体管34均为一个NMOS晶体管。但不局限与此，在另一实施例中，所述像素读出单元3中的晶体管可为上述串/并联情况或PMOS情况。
需要指出的是，所述像素读出单元3位于衬底层1中或位于所述感光叠层2中的至少一个感光层中，如图1、4a和4b所示存在以下几种情况：
如图1所示，所述像素读出单元3位于所述的感光叠层2的一个感光层中，所述感光叠层2的所有感光元件共用所述像素读出单元3，且各该感光元件与所述像素读出单元3之间通过各该感光元件对应的一个开关元件连接，其中，所述的感光叠层2与像素读出单元3形成一像素模块5；
如图4a所示，所述的像素读出单元3位于衬底层1中，所述感光叠层2的所有感光元件共用所述像素读出单元3，其中，所述感光叠层2即为一像素模块5；
如图4b所示，多个所述像素读出单元3分别位于所述的感光叠层2的多个感光层中，所述感光叠层2的所有感光元件的包含像素信息的电信号通过所述的多个像素读出单元3读出，且所述的感光叠层2的每个感光元件通过其各自对应的一个开关元件只与一个所述像素读出单元3连接，其中，所述的感光叠层2与多个所述像素读出单元3形成一像素模块5。换言之，分别位于所述的感光叠层2的多个感光层中的多个所述像素读出单元3中，在一个实施例中，如图4b所示，所述一个像素读出单元3各对应一个感光元件，即每个所述感光元件通过其各自对应的一个开关元件与其对应所述像素读出单元3相连接；在另一个实施例中，存在一个像素单元3对应多个感光元件的情况，即共用一个所述像素读出单元3的各该感光元件通过其各自对应的一个开关元件与其对应的共用的像素读出单元3相连接。
需要进一步指出的是，多个所述的像素模块5形成像素模块阵列6(未图示)，所述的像素模块阵列6的包含像素信息的电信号经由所述的像素读出单元3、列总线11及放大器12传输至图像处理单元14，以对所述包含像素信息的电信号进行图像处理。
具体地，在本实施例一中，如图1所示，所述像素读出单元3位于所述的感光叠层2的一个感光层中，其中所述感光层为可见光感光层22(未在半导体结构图2c中图示像素读出单元3的具体结构)，所述感光叠层2的所有感光元件(PN结光电二极管212～232)共用所述像素读出单元3，所述层叠式CMOS图像传感器为4T型图像传感器，则各该感光元件(PN结光电二极管212、222及232)各自对应的浮动扩散区351～353与所述像素读出单元3之间通过各该感光元件对应的一个开关元件2111、2211及2311相连接，即所述的PN结光电二极管212对应的浮动扩散区351通过开关元件2111与所述像素读出单元3相连接，所述的PN结光电二极管222对应的浮动扩散区352通过开关元件2211与所述像素读出单元3相连接，所述的PN结光电二极管232对应的浮动扩散区353通过开关元件2311与所述像素读出单元3相连接。所述的感光叠层2与像素读出单元3形成一像素模块5，进一步，多个所述的像素模块5形成像素模块阵列6(未图示)，所述的像素模块阵列6的包含像素信息的电信号经由所述的像素读出单元3、所述列总线11及放大器12传输至图像处理单元14，以对所述包含像素信息的电信号进行图像处理。
需要特殊说明的是，在本实施例一中，所述层叠式CMOS图像传感器为4T型图像传感器，且各该感光层的感光元件(PN结光电二极管212、222及232)共用所述像素读出单元3，如图1所示，所述像素读出单元3中的各该晶体管的连接方式如下：
所述复位晶体管31用于本发明图像传感器在曝光前对所述感光元件(PN结光电二极管212、222及232)进行复位，其中，所述的各该感光层中的各个感光元件(PN结光电二极管212、222及232)各自对应的浮动扩散区351～353与复位晶体管31之间分别通过各该开关元件2111、2211及2311相连接，且复位功能由复位信号Reset信号(图1中的RST端点)进行控制。在图1中，所述复位晶体管31为一个NMOS晶体管，由于所述层叠式CMOS图像传感器为4T型图像传感器，所述复位晶体管31的源极与各该开关元件2111、2211及2311的一端相连接，且各该开关元件2111、2211及2311的另一端与分别位于各该感光层中对应各自感光元件(PN结光电二极管212、222及232)的浮空扩散区(FD)351、352及353相连接，即各该开关元件2111、2211及2311分别将所述复位晶体管31的源极与位于各该感光层中对应各自感光元件(PN结光电二极管212、222及232)的浮空扩散区(FD)351、352及353相连接；所述复位晶体管31的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。
所述源跟随晶体管32借助于所述电流源单元13提供的恒定电流，使其栅源电流(Ids)保持恒定，以供保证源极电压与栅极电压差恒定，从而达到源电压跟随栅极电压的目的，用于读出所述感光元件(PN结光电二极管212、222及232)经过光电转换产生的包含像素信息的电信号。在图1中，所述源跟随晶体管32为一个NMOS晶体管，由于所述层叠式CMOS图像传感器为4T型图像传感器，所述源跟随晶体管32的栅极与所述的各该感光层中的各个感光元件(PN结光电二极管212、222及232)各自对应的浮动扩散区351、352及353分别通过各该开关元件2111、2211及2311相连接，此时所述的源跟随晶体管32的栅极、复位晶体管31的源极均与各该开关元件2111、2211及2311的一端相连接。所述源跟随晶体管32的漏极接所述电源Vdd，所述源跟随晶体管32的源极为输出包含像素信息的电信号的输出端。
所述行选择晶体管33用于将所述源跟随晶体管32的源极输出的包含像素信息的电信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管33的栅极接行选择信号RS，所述行选择晶体管33的漏极接所述源跟随晶体管32的源极，所述行选择晶体管33的源极为输出端。
所述转移晶体管341、342及343用于将所述PN结光电二极管212、222及232产生的包含像素信息的电信号通过浮动扩散区351、352及353和开关元件2111、2211及2311输入到所述的源跟随晶体管32的栅极和复位晶体管31的源极相连接处。在实施例一中，如图1所示，所述转移晶体管341、342及343选用一NMOS晶体管，所述转移晶体管341、342及343的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管341、342及343的源极(未图示)接所述PN结光电二极管212、222及232的N型区，所述转移晶体管341、342及343的漏极通过浮动扩散区351、352及353接源跟随晶体管32的栅极和复位晶体管31的源极相连接处。
在阐述工作原理之前，需要说明的是，由于各该开关元件均为NMOS晶体管，当开关元件的栅极为高电平时，则开关元件处于导通状态(即开关闭合)，当开关元件的栅极接地时，则开关元件处于断开状态(即开关打开)。通过开关元件2111、2211及2311选择不同感光层的进行包含像素信息的电信号的读出。
以只读取紫外光感光层23的包含像素信息的电信号为例，进行说明所述层叠式CMOS图像传感器的工作原理：
选择自然光为光源，在曝光前，为所述开关元件2311的栅极提供高电平使其处于导通状态(即开关闭合)，同时为所述的开关元件2211及2111的栅极接地使其处于断开状态，则位于所述紫外感光层23中对应感光元件(PN结光电二极管232)的浮空扩散区(FD)353连接到所述复位晶体管31的源极；当所述复位晶体管31的复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管31导通，则所述PN结光电二极管232通过与其对应的转移晶体管343(其栅极接转移信号TX，其源极接所述PN结光电二极管232的N型区，未图示)和浮动扩散区353连接到复位晶体管31的漏极电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述PN结光电二极管232反偏并会清除所述PN结光电二极管232的全部累积的电荷，实现复位。
所述源跟随晶体管32的漏极接所述电源Vdd，当所述层叠式CMOS图像传感器实现复位后，选择自然光为光源进行曝光，位于紫外光感光层23的感光元件(PN结光电二极管232)进行光电转换，将接收到的光信号转换成包含像素信息的电信号，由于开关元件2311呈导通状态(开关元件栅极接高电平)，则通过与PN结光电二极管232对应的转移晶体管343(其栅极接转移信号TX，其源极接所述PN结光电二极管232的N型区，未图示)和浮动扩散区353连接到所述源跟随晶体管32的栅极，在所述电源Vdd及电流源单元13的作用下，所述源跟随晶体管32的源极输出包含像素信息的电信号至所述行选择晶体管33的漏极。
所述行选择晶体管33的栅极接行选择信号RS，其漏极为输入端连接所述源跟随晶体管32的源极，其中，源极为输出端。所述行选择晶体管33用于将所述源跟随晶体管32的源极输出的包含像素信息的电信号输出至列总线11。
所述的感光叠层2的各个感光层与其共用的像素读出单元3形成一像素模块5，多个所述的像素模块5形成像素模块阵列6(未图示)。所述的像素模块阵列6的各个紫外光感光层23的包含像素信息的电信号经由所述的像素读出单元3、所述列总线11及放大器12传输至图像处理单元14，以对所述包含像素信息的电信号进行图像处理。
同理，在本实施例一中，若只需读取可见光感光层22或红外光感光层21的包含像素信息的电信号，仅需要调整开关元件2211或2111为导通状态(即开关元件栅极加高电压)，同时开关元件2111和2311、或2211和2311为断开状态(即开关元件栅极接地)即可。
本发明提供一种层叠式CMOS图像传感器，采用了无滤光片的设计，降低成本的同时也避免了滤光片引起的图像质量变差等问题；采用层叠式结构的感光叠层，使所需电路结构可以做在单独的一层上(衬底层)，从而大大提高填充因子，进一步提高图像的质量，同时，由于采用层叠式结构的感光叠层，使一个像素具有检测不同波段光的能力，一次曝光可以同时获得紫外光、可见光和红外光等信息，可以通过一块芯片获得多种信息，不仅降低了成本及复杂度，而且大大提高了转换的效率和图像质量。
实施例二
实施例二与实施例一采用基本相同的技术方案，即实施例二与实施例一提供的层叠式CMOS图像传感器包括的组件、组件间的相关连接方式和及其工作原理基本相同，不同之处在于实施例二中的层叠式CMOS图像传感器为3T型，且像素读出单元3’位于衬底层中，感光叠层2’用于吸收三个波段光的三个感光层中，第一感光层为红光感光层21’，第二感光层为绿光感光层22’、第三感光层为蓝光感光层23’，且各该感光层均为硅(Si)材料。
需要特别指出的是，不同波长的光在同一半导体材料中具有不同的响应特性，半导体材料要吸收不同波长的光，需要不同的入射光程，波长越短，完全吸收入射光、实现光电转换需要入射光在半导体内传输的有效光程越短，反之则越长。为了便于同时吸收不同波段的光，使本发明的图像传感器具有检测不同波段光的能力，则本发明用以吸收光的所述感光叠层采用叠层结构，由于各该感光层在感光叠层中所处的位置不同，因此当各该感光层为同种半导体材料时也可以吸收不同波段的光。对可见光而言，由于蓝光、绿光和红光的波长为递增情况，因此蓝光吸收在最靠近入射面(感光叠层的表面)的区域，红光的吸收则集中在距离入射面(感光叠层的表面)较远的内部区域，绿光的吸收区域介于二者之间。
因此，在本实施例二中，用于吸收第一波段光(红光)的第一感光层(红光感光层21’)层叠覆盖在所述衬底层1上，位于感光叠层2’的最下层；用于吸收第二波段光(绿光)的第二感光层(绿光感光层22’)层叠在所述第一感光层(红光感光层21’)上；用于吸收第三波段光(蓝光)的第三感光层(蓝光感光层23’)层叠在所述第二感光层(绿光感光层22’)上，位于感光叠层2’的最上层。
本实施例二中的等效电路图图5与实施例一中的等效电路图图1基本相同。相比于实施例一中的4T型层叠式CMOS图像传感器，实施例二中的3T型层叠式CMOS图像传感器的像素读出单元3’缺少了实施例一中转移晶体管(TX)和浮动扩散区(FD)；相比于实施例一中的像素读出单元3位于实施可见光感光层22中，实施例二中的像素读出单元3’位于衬底层1中。具体的不同之处如下：
请参阅图5，在本实施例二中，本发明提供的层叠式CMOS图像传感器为3T型，则像素读出单元3’包括复位晶体管31’、源跟随晶体管32’、以及行选择晶体管33’，同时在本实施例二中，像素读出单元位于衬底层1中，所述感光叠层2’的所有感光元件(PN结光电二极管212’、222’及232’)共用所述像素读出单元3’，其中，所述感光叠层2’即为一像素模块5’。
如图5所示，在本实施例二中，位于所述红光感光层21’的所述开关元件2111’连至PN结光电二极管212’的N型区；位于所述绿光感光层22’的所述开关元件2211’连至PN结光电二极管222’的N型区；位于所述蓝光感光层23’的所述开关元件2311’连至PN结光电二极管232’的N型区。
进一步，如图5所示，在本实施例二中，所述像素读出单元3’的复位晶体管31’的源极与各该开关元件2111’、2211’及2311’的一端相连接，且各该开关元件2111’、2211’及2311’的另一端与分别位于各该感光层21’、22’、23’中各自感光元件(PN结光电二极管212’、222’及232’)的N型区相连接；所述像素读出单元3’的源跟随晶体管32’的栅极与所述的各该感光层中的各个感光元件(PN结光电二极管212’、222’及232’)各自的N型区分别通过各该开关元件2111’、2211’及2311’相连接，此时所述的源跟随晶体管32’的栅极、复位晶体管31’的源极均与各该开关元件2111’、2211’及2311’的一端相连接。
为进一步阐明本发明在实施例二中的工作原理，复请参阅图5，以只读取蓝光感光层23’的包含像素信息的电信号为例，进行说明所述层叠式CMOS图像传感器在本实施例二中的工作原理：
选择自然光为光源，在曝光前，当所述的开关元件2311’呈导通状态(开关元件栅极接高电平)且开关元件2211’及2111’呈断开状态(开关元件栅极接地)时，为所述复位晶体管31’的复位信号Reset提供高电平，则所述复位晶体管31’导通，所述PN结光电二极管232’的N型区通过复位晶体管31’连接到其漏极电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述PN结光电二极管232’反偏并清除所述PN结光电二极管232’的全部累积的电荷，实现复位。
所述源跟随晶体管32’的漏极接所述电源Vdd，当所述层叠式CMOS图像传感器实现复位后，选择自然光为光源进行曝光，位于蓝光感光层23的感光元件(PN结光电二极管232’)进行光电转换，将接收到的光信号转换成包含像素信息的电信号，由于开关元件2311’呈导通状态(开关元件栅极接高电平)，则将PN结光电二极管232’的N型区连接到所述源跟随晶体管32’的栅极，在所述电源Vdd及电流源单元13的作用下，所述源跟随晶体管32’的源极输出包含像素信息的电信号至所述行选择晶体管33’的漏极。
所述行选择晶体管33’的栅极接行选择信号RS，其漏极为输入端连接所述源跟随晶体管32’的源极，其中，源极为输出端。所述行选择晶体管33’用于将所述源跟随晶体管32’的源极输出的包含像素信息的电信号输出至列总线11。
所述的感光叠层2’的各个感光层与其共用的位于衬底层1的像素读出单元3’形成一像素模块5’，多个所述的像素模块5’形成像素模块阵列6’(未图示)。所述的像素模块阵列6’的各个蓝光感光层23’的包含像素信息的电信号经由所述的像素读出单元3’、所述列总线11及放大器12传输至图像处理单元14，以对所述包含像素信息的电信号进行图像处理。
同理，在本实施例二中，若只需读取绿光感光层22’或红光感光层21’的包含像素信息的电信号，仅需要调整开关元件2211’或2111’为导通状态(即开关元件栅极加高电压)，同时开关元件2111’和2311’、或2211’和2311’为断开状态(即开关元件栅极接地)即可。
综上所述，本发明提供一种层叠式CMOS图像传感器，采用了无滤光片的设计，降低成本的同时也避免了滤光片引起的图像质量变差等问题；采用层叠式结构的感光叠层，使所需电路结构可以做在单独的一层上(衬底层)，从而大大提高填充因子，进一步提高图像的质量，同时，由于采用层叠式结构的感光叠层，使一个像素具有检测不同波段光的能力，一次曝光可以同时获得蓝光、绿光和红光等信息，可以通过一块芯片获得多种信息，不仅降低了成本及复杂度，而且大大提高了转换的效率和图像质量。本发明提供的层叠式CMOS图像传感器，可用以实现可见光的精准成像，将红、蓝、绿光感光器件制备在位于半导体衬底同一区域的不同叠层上，进一步提高了图像传感器的集成度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种层叠式CMOS图像传感器，其特征在于，至少包括：
衬底层，至少包括位于其中的列总线、放大器、用以提供恒定电流的电流源单元、及用以图像处理的图像处理单元，其中，所述图像处理单元至少包括时钟和控制电路，行、列、层解码电路，采样保持电路，模数转换器，图像处理器；所述放大器和电流源单元均与列总线相连；
感光叠层，层叠覆盖所述衬底层表面，用以同时吸收不同波段的光，至少包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收各该不同波段光的多个感光层，且各该感光层中至少包括一个开关元件以及与其相连接的一个感光元件；
像素读出单元，位于衬底层中或位于所述感光叠层中的至少一个感光层中，至少包括连接所述感光层的复位晶体管、连接所述复位晶体管及感光层的源跟随晶体管，以及连接所述源跟随晶体管的行选择晶体管。
2.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光叠层至少包括层叠覆盖在所述衬底层上的用于吸收第一波段光的第一感光层、及层叠在所述第一感光层上的用于吸收第二波段光的第二感光层。
3.根据权利要求2所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光叠层还包括层叠在所述第二感光层上的用于吸收第三波段光的第三感光层。
4.根据权利要求3所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述第一感光层中通过对锗进行掺杂形成用以吸收红外光的锗材料感光元件，所述第二感光层中通过对硅进行掺杂形成用以吸收可见光的硅材料感光元件，所述第三感光层中通过对碳化硅进行掺杂形成用以吸收紫外光的碳化硅材料感光元件。
5.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：各该感光层的材料为禁带宽度与所需吸收的光子能量相匹配半导体材料，分别选自碳化硅、硅、锗、或锗硅，或分别选自经掺杂的碳化硅、硅、锗、或锗硅。
6.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光叠层中的各该感光层为同种半导体材料。
7.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述的衬底层与感光叠层之间具有绝缘层、或/及所述感光叠层中各感光层之间具有绝缘层。
8.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光叠层中的感光层为由多个感光子层组成的复合感光层。
9.根据权利要求8所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：各该感光子层之间具有绝缘层。
10.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光叠层的各该感光元件为PN结光电二极管、针扎式光电二极管、或光电门中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述像素读出单元位于所述的感光叠层的一个感光层中，所述感光叠层的所有感光元件共用所述像素读出单元，且各该感光元件与所述像素读出单元之间通过各该感光元件对应的一个开关元件连接，其中，所述的感光叠层与像素读出单元形成一像素模块。
12.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：多个所述像素读出单元分别位于所述的感光叠层的多个感光层中，所述感光叠层的所有感光元件对应所述的多个像素读出单元，且所述的感光叠层的每个感光元件通过其各自对应的一个开关元件只与一个所述像素读出单元连接，其中，所述的感光叠层与多个所述像素读出单元形成一像素模块。
13.根据权利要求1所述的层叠式CMOS图像传感器，其特征在于：所述的像素读出单元位于衬底层中，所述感光叠层的所有感光元件共用所述像素读出单元，其中，所述感光叠层即为一像素模块。
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