CN103081106A - 图像传感器和摄像设备 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器，其中，各个像素包括第一子像素、第二子像素、第三半导体层以及微透镜，该第一子像素包括第一半导体层，该第二子像素包括具有与所述第一半导体层的极性不同的极性的第二半导体层，该第三半导体层具有与所述第一半导体层的极性相同的极性，并且该图像传感器包括所述第一半导体层包括在所述第二半导体层中、并且所述第二半导体层包括在所述第三半导体层中的多个像素，其中，界定所述第一半导体层的光接收面的重心位置与界定所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的光接收面的重心位置不同。

Description

图像传感器和摄像设备
技术领域
本发明涉及一种具有焦点检测功能的图像传感器以及使用该图像传感器的摄像设备。
背景技术
美国专利4410804号公报公开了利用包括各个像素中所形成的微透镜的二维传感器进行光瞳分割方式的焦点检测的摄像设备。在美国专利4410804号公报所说明的摄像设备中，在一个像素中形成有一个微透镜和多个分割的光电转换单元。分割的光电转换单元通过一个微透镜在摄像镜头的光瞳的不同区域中接收光束，由此进行光瞳分割。从由各个分割的光电转换单元接收到的信号获得图像偏移量，进行焦点检测，并且将由分割的光电转换单元所接收到的信号相加，由此获取摄像信号。除了焦点检测之外，该专利文献公开了以下技术，其中，分别针对右眼和左眼分开显示各个像素中被左右分割的光电转换单元所接收到的视差信号，由此使得能够生成立体图像。
日本特开2000-156823号公报公开了一种摄像设备，其中不仅配置有多个摄像像素，还部分地配置有光瞳分割方式的焦点检测像素。在日本特开2000-156823号公报中，通过配置在大部分区域中的摄像像素而获取摄像信号，并且利用来自配置在某些区域中的焦点检测像素的信号进行焦点检测。焦点检测像素通过具有开口的遮光层在摄像镜头的光瞳的预定区域中接收光束，由此进行光瞳分割。
日本特开2008-15215号公报提出一种使用如下焦点检测像素的摄像设备，其中所述焦点检测像素各自通过部分地形成一对分割的光电转换单元以使其以L形从侧面围绕摄像像素的光电转换单元的下部而形成。在摄像像素中储存的电荷与在一对焦点检测像素中储存的电荷具有相同的极性，并且与相同的浮动扩散部相连接。该专利文献还公开了在形成有焦点检测像素的部分不形成颜色滤波器，因此上部的摄像像素主要接收入射光的短波长成分，并且下部的焦点检测像素主要接收入射光的长波长成分，由此进行焦点检测。
在美国专利4410804号公报中公开的摄像设备中，将由多个分割的光电转换单元接收到的信号相加以获得摄像信号。然而，分割的光电转换单元之间的间隙不具有光接收灵敏度，并且因此变成低灵敏度区。因此，对于具有特定的入射角并且由微透镜会聚到光电转换单元之间的位置的光，光接收效率大幅度地劣化。作为结果，在模糊的图像中生成例如垂直的、水平的或者十字形图案的不自然的暗图案，因此使拍摄图像的质量劣化。
在日本特开2000-156823号公报所公开的摄像设备中，由配置在某些部分的焦点检测像素所接收到的信号不能用作摄像信号，因此焦点检测像素成为不可用作摄像像素的像素。尽管通过不可用像素校正能够恢复拍摄图像的质量，但是必须进行使用外围像素的插值处理，因而所拍摄图像的分辨率部分劣化。
在日本特开2008-15215号公报中公开的摄像设备中，Si(硅)层的上部所形成的光电转换单元接收入射光的短波长成分以获得摄像信号，并且通过分割在Si层的下部所形成的光电转换单元接收入射光的长波长成分以获得焦点检测信号。
然而，由于利用依赖于Si层厚度的分光吸光度的差来分离入射光的波长，因此不能完全地进行颜色分离。图18使用虚线示出Si层的厚度为400纳米(nm)的情况下的分光吸光度，使用实线示出Si层的厚度为1500纳米的情况下的分光吸光度，使用交替的长短划线示出Si层的厚度为3500纳米的情况下的分光吸光度。例如，在光电转换单元的深度大约为400纳米的情况下，如图18中的虚线所示，接收到具有与B(蓝色)相对应的450至470纳米的波长的光的大约75%、具有与G(绿色)相对应的520至540纳米的波长的光的大约35%以及具有与R(红色)相对应的620至640纳米的波长的光的大约15%。因此，蓝色、绿色和红色成分以6:3:1的比率混色。
同样地，在Si层的上部设置焦点检测像素、并且在Si层的下部设置摄像像素的情况下，来自摄像像素的摄像信号的颜色纯度劣化。例如，在光电转换单元的深度大约为3500纳米的情况下，如图18中分别由交替的长短划线和实线所表示的分光吸光度之间的差可见，接收到具有与G(绿色)相对应的520至540纳米的波长的光的大约20%以及具有与R(红色)相对应的620至640纳米的波长的光的大约30%。因此，绿色和红色成分以4:6的比率混色。
因此，在日本特开2008-15215号公报中公开的摄像设备中，摄像信号的颜色纯度部分地劣化，因而使所拍摄图像的质量劣化。
此外，由于使用依赖于Si层的厚度的分光吸光度的差来进行颜色分离，因此不能自由地调整光电转换单元的深度。这限制了动态范围。此外，为了将一对光电转换单元形成为以L形从侧面围绕另一个光电转换单元，制造过程变得复杂。
因此，在所有这些现有技术中，通过对图像传感器添加相位差方式的焦点检测功能，所拍摄图像的质量劣化。
发明内容
考虑到上述情况作出本发明，并且本发明提供一种用于实现高品质的图像以及相位差方式的焦点检测功能这两者的图像传感器。
根据本发明的第一方面，提供一种图像传感器，其中，各个像素包括第一子像素、第二子像素、第三半导体层以及微透镜，该第一子像素包括第一半导体层，该第二子像素包括具有与所述第一半导体层的极性不同的极性的第二半导体层，该第三半导体层具有与所述第一半导体层的极性相同的极性，并且该图像传感器包括所述第一半导体层包括在所述第二半导体层中、并且所述第二半导体层包括在所述第三半导体层中的多个像素，其中，界定所述第一半导体层的光接收面的重心位置与界定所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的光接收面的重心位置不同。
根据本发明的第二方面，提供一种图像传感器，其中，各个像素包括第一子像素、第二子像素、第三半导体层以及微透镜，该第一子像素包括第一半导体层，该第二子像素包括具有与所述第一半导体层的极性不同的极性的第二半导体层，该第三半导体层具有与所述第一半导体层的极性相同的极性，并且该图像传感器包括所述第一半导体层包括在所述第二半导体层中、并且所述第二半导体层包括在所述第三半导体层中的多个像素，其中，所述第一半导体层被分割成多个部分半导体层，并且界定至少一个所述部分半导体层的光接收面的重心位置与界定所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的光接收面的重心位置不同。
根据本发明的第三方面，提供一种包括上述的图像传感器的摄像设备。
通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例中的摄像设备的示意结构的框图；
图2是本发明的第一实施例中的像素阵列的示意图；
图3A和3B分别是本发明的第一实施例中的像素A的示意平面图和示意截面图；
图4A和4B分别是本发明的第一实施例中的像素B的示意平面图和示意截面图；
图5A至5C是本发明的第一实施例中的光瞳分割的示意说明图；
图6是示出本发明的第一实施例中的像素A的光瞳强度分布的图；
图7是示出本发明的第一实施例中的像素B的光瞳强度分布的图；
图8是示出本发明的第一实施例中的像素A和B的光瞳强度分布的图；
图9是本发明的第一实施例中的像素A的示意平面图；
图10是本发明的第一实施例中的像素A的示意截面图；
图11是本发明的第二实施例中的像素A的示意截面图；
图12是本发明的第三实施例中的像素阵列的示意图；
图13是本发明的第四实施例中的像素阵列的示意图；
图14是本发明的第五实施例中的像素A的示意截面图；
图15是本发明的第六实施例中的像素A的示意截面图；
图16是本发明的第七实施例中的像素阵列的示意图；
图17A和17B分别是本发明的第七实施例中像素的示意平面图和示意截面图；以及
图18是示出硅的分光吸光度特性的图。
具体实施方式
第一实施例
以下将参考图1至10说明本发明的第一实施例。图1是示出用作本发明的第一实施例中的包括图像传感器的摄像设备的照相机的结构的框图。参考图1，附图标记101表示配置在成像光学系统的前端的第一透镜组。第一透镜组101被保持为在光轴方向上可进退。附图标记102表示不仅通过调节开口直径来调节摄像中的光量、并且在静止图像拍摄中还用作曝光时间调节快门的光圈兼快门。附图标记103表示第二透镜组。光圈兼快门102和第二透镜组103在光轴方向上一同进退，并且与第一透镜组101的进退操作联动以提供变倍功能(变焦功能)。附图标记105表示在光轴方向上进退以进行焦点调节的第三透镜组。附图标记106表示用作用于减少所拍摄图像的伪色和摩尔纹的光学元件的光学低通滤波器。附图标记107表示包括二维CMOS光传感器及其外围电路的图像传感器。
附图标记111表示使凸轮筒(未示出)转动以使第一透镜组101至第三透镜组105在光轴方向上进退、由此进行变倍操作的变焦致动器。附图标记112表示控制光圈兼快门102的开口直径以调节摄像光量并且控制静止图像拍摄中的曝光时间的光圈/快门致动器。附图标记114表示使第三透镜组105在光轴方向上进退以进行焦点调节的调焦致动器。
附图标记115表示用于摄像时的被摄体照明的电子闪光灯。电子闪光灯115优选使用采用氙管的闪光照明装置，但是也可以使用包括连续发光的发光二极管(LED)的照明装置。附图标记116表示通过光投影透镜将具有预定开口图案的掩模的图像投影到视野中、以改善对暗被摄体或者低对比度被摄体的焦点检测能力的AF辅助光装置。
附图标记121表示对照相机本体进行各种控制的照相机CPU。照相机CPU121包括例如运算单元、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器以及通信接口电路，并且基于存储在ROM中的预定程序来驱动设置在照相机中的各种电路。接着，照相机CPU121执行包括例如AF、摄像、图像处理以及记录等一系列操作。
附图标记122表示与摄像操作同步地对电子闪光灯115进行点亮控制的电子闪光灯控制电路。附图标记123表示与焦点检测操作同步地对AF辅助光装置116进行点亮控制的辅助光驱动电路。附图标记124表示控制图像传感器107的摄像操作、对获取到的图像信号进行A/D转换并将转换后的图像信号发送至照相机CPU121的图像传感器驱动电路。附图标记125表示对由图像传感器107获取到的图像进行诸如伽玛转换、颜色插值以及JPEG压缩等的各种处理的图像处理电路。
附图标记126表示基于焦点检测结果控制调焦致动器114的驱动并且使第三透镜组105在光轴方向上进退以进行焦点调节的调焦驱动电路。附图标记128表示控制光圈/快门致动器112的驱动以控制光圈兼快门102的开口的光圈/快门驱动电路。附图标记129表示根据拍摄者的变焦操作来驱动变焦致动器111的变焦驱动电路。
附图标记131表示诸如LCD等的显示装置。显示装置131显示例如与照相机的摄像模式相关的信息、摄像前的预览图像、摄像后的确认图像以及焦点检测时的聚焦状态显示图像等。附图标记132表示包括例如电源开关、释放(摄像触发)开关、变焦操作开关以及摄像模式选择开关等的操作开关组。附图标记133表示用于记录所拍摄图像的可拆卸的闪速存储器。
焦点检测子像素以及摄像子像素
图2是第一实施例中的图像传感器的像素阵列的示意图。图2在8(列)x8(行)像素范围内示出本实施例中的二维CMOS传感器(图像传感器)的像素阵列。在图像传感器的表面上配置大量的图2所示的8(列)x8(行)像素的组，由此使得能够获取到高分辨率的图像。本实施例假定图像传感器具有4微米的像素间距，5575(列)x3725(行)=大约两千万有效像素，并且摄像画面尺寸为22.3毫米(水平)x14.9毫米(垂直)。
在第一实施例中，图2中示出的包括2(行)x2(列)像素A的像素A组210采用拜尔排列，其中将具有G的分光灵敏度的像素A210G配置为对角的两个像素，并且将具有R的分光灵敏度的像素A210R和具有B的分光灵敏度的像素A210B配置为其余的两个像素。此外，如以下将说明的，像素A210R、210G和210B各自包括焦点检测子像素(第一子像素)以及摄像子像素(第二子像素)，并且焦点检测子像素的光接收面的重心相对于摄像子像素的光接收面的重心在-x方向上偏移。另一方面，在形成像素B组220的像素B220R、220G和220B中，焦点检测子像素的光接收面的重心相对于摄像子像素的光接收面的重心在+x方向上偏移。
同样地，在形成像素A’组230的像素A’230R、230G和230B中，焦点检测子像素的光接收面的重心相对于摄像子像素的光接收面的重心在+y方向上偏移。此外，在形成像素B’组240的像素B’240R、240G和240B中，焦点检测子像素的光接收面的重心相对于摄像子像素的光接收面的重心在-y方向上偏移。
图3A是图2中示出的图像传感器的一个像素A210G在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下的平面图，并且图3B是从-y侧观看的沿着截面a-a所截取的截面图。此外，图4A是图2中示出的图像传感器的一个像素B220G在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下的平面图，并且图4B是从-y侧观看的沿着截面b-b所截取的截面图。
如图3A和3B中所示，在本实施例中的像素A210G中，将n型层(第二半导体层)312形成为包括在p型阱(第三半导体层)300中，并且将p型层(第一半导体层)311以向-x侧偏移的方式形成为包括在n型层(第二半导体层)312中。更具体地，界定p型层(第一半导体层)311的光接收面的重心相对于界定p型层(第一半导体层)311和n型层(第二半导体层)312这两者的光接收面的重心偏移。注意，第一半导体层与第二半导体层具有不同的极性，并且第一半导体层与第三半导体层具有相同的极性。
通过这一结构，p型层(第一半导体层)311与n型层(第二半导体层)312相互接合，由此以向-x侧偏移的方式形成pn结光电二极管(第一光电转换单元)PDA。同样地，n型层(第二半导体层)312与p型阱(第三半导体层)300相互接合，由此形成pn结光电二极管(第二光电转换单元)PDNA。
在各个像素的光接收侧上形成用于使入射光会聚的微透镜305。此外，在相对于用作光电二极管PDA的p型阳极的p型层(第一半导体层)311以及用作光电二极管PDA和PDNA两者的n型阴极的n型层(第二半导体层)312两者的微透镜305一侧(微透镜侧)，形成有用于选择光接收波长以进行颜色分离的颜色滤波器306。像素A210G包括其上形成的G(绿色)颜色滤波器。像素A210R包括其上形成的R(红色)颜色滤波器，并且像素A210B包括其上形成的B(蓝色)颜色滤波器。
可以根据需要形成其它颜色的颜色滤波器。例如，在R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)和W(白色)像素的阵列中，白色像素可以使用透明滤波器(紫外线/红外线截止滤波器)。此外，颜色滤波器306可以使用用于吸收所选择波长以外的波长的吸收滤波器，或者诸如干涉滤波器等的用于反射所选择波长以外的波长的反射滤波器。
入射到各个像素的光通过微透镜305而会聚，通过颜色滤波器306进行颜色分离，接着由光电二极管PDA和PDNA接收。对由光电二极管PDA接收到的光成分进行光电转换以生成空穴和电子。带正电的空穴累积在p型层(第一半导体层)311中，而带负电的电子累积在n型层(第二半导体层)312中。此外，对由光电二极管PDNA接收到的光成分进行光电转换以生成空穴和电子。电子累积在n型层(第二半导体层)312中。另一方面，通过与恒定电压源(未示出)相连接的p型阱(第三半导体层)300将空穴排出到图像传感器外部。
本实施例中的像素A210G包括第一子像素和第二子像素。第一子像素由通过传输栅极303与p型层(第一半导体层)311相连接的p+浮动扩散(p+FD)区域301构成。p+FD区域301和传输栅极303可以根据需要而省略。
第二子像素由通过传输栅极304与n型层(第二半导体层)312相连接的n+浮动扩散(n+FD)区域302构成。n+FD区域302和传输栅极304可以根据需要而省略。
另一方面，如图4A和4B中所示，在本实施例的像素B220G中，将n型层(第二半导体层)322形成为包括在p型阱(第三半导体层)300中，并且将p型层(第一半导体层)321以向+x侧偏移的方式形成为包括在n型层(第二半导体层)322中。更具体地，界定p型层(第一半导体层)321的光接收面的重心相对于界定p型层(第一半导体层)321和n型层(第二半导体层)322这两者的光接收面的重心在与像素A210G相反的方向偏移。注意，第一半导体层与第二半导体层具有不同的极性，并且第一半导体层与第三半导体层具有相同的极性。
通过这一结构，p型层(第一半导体层)321与n型层(第二半导体层)322相互接合，由此以向+x侧偏移的方式形成pn结光电二极管(第一光电转换单元)PDB。同样地，n型层(第二半导体层)322与p型阱(第三半导体层)300相互接合，由此形成pn结光电二极管(第二光电转换单元)PDNB。其它特征与像素A210G和像素B220G相同。
通过这一结构，能够从第一子像素获得焦点检测信号，并且同时在同一像素位置能够从第二子像素获得摄像信号。这使得能够在不生成不可用作摄像像素的像素的情况下配置焦点检测像素，由此实现高质量的图像和相位差方式的焦点检测功能两者。
以下将说明本发明的效果。图5A至5C为示出各个像素的光电转换单元与光瞳分割之间的对应关系的示意说明图。图5A示出从+y侧观看时沿着图3A所示的像素A210G的截面a-a所截取的截面图、以及成像光学系统的出射光瞳面。此外，图5B示出从+y侧观看时沿着图4A所示的像素B220G的截面b-b所截取的截面图、以及成像光学系统的出射光瞳面。注意，参考图5A至5C，使截面图的x轴和y轴反转为图3A、3B、4A和4B中的截面图的x轴和y轴以使x轴和y轴与出射光瞳面中所定义的坐标轴相匹配。
参考图5A，附图标记PDA表示像素A的第一光电转换单元；以及附图标记PDNA表示像素A的第二光电转换单元。此外，参考图5B，附图标记PDB表示像素B的第一光电转换单元；以及附图标记PDNB表示像素B的第二光电转换单元。
像素A的第一光电转换单元PDA是向着耗尽层及其周边延伸了少数载流子的扩散距离的区域，其中该耗尽层是在图3A和3B所示的p型层(第一半导体层)311和n型层(第二半导体层)312之间的接合部中所形成的。该区域几乎与p型层(第一半导体层)311的区域相互重叠。此外，像素A的第二光电转换单元PDNA是向着耗尽层及其周边延伸了少数载流子的扩散距离的区域，其中该耗尽层是在n型层(第二半导体层)312和p型阱(第三半导体层)300之间的接合部中所形成的。该区域几乎与n型层(第二半导体层)312的区域相互重叠。
如图5A中所示，由于图3A和3B中示出的p型层(第一半导体层)311包括在n型层(第二半导体层)312中，因此第一光电转换单元PDA包括在第二光电转换单元PDNA中。此外，由于p型层(第一半导体层)311相对于n型层(第二半导体层)312向-x侧偏移，因此第一光电转换单元PDA相对于第二光电转换单元PDNA向-x侧偏移。
同样地，如图5B中所示，在像素B中，由于图4A和4B中示出的p型层(第一半导体层)321包括在n型层(第二半导体层)322中，因此第一光电转换单元PDB包括在第二光电转换单元PDNB中。另一方面，在像素B中，由于p型层(第一半导体层)321相对于n型层(第二半导体层)322向+x侧偏移，因此第一光电转换单元PDB相对于第二光电转换单元PDNB向+x侧偏移。
将集成了像素A的第一光电转换单元PDA和第二光电转换单元PDNA的光电转换单元PD与集成了像素B的第一光电转换单元PDB和第二光电转换单元PDNB的光电转换单元PD’形成为彼此几乎相同。
如图3A和3B中所示，构成像素A的第一子像素的p型层(第一半导体层)311用作第一光电转换单元PDA的p型阳极，并且累积根据第一光电转换单元PDA接收到的光量而生成的空穴。累积的空穴在传输栅极303的控制下被传输到p+浮动扩散区域301，并且被转换为电压信号。
与此相对，构成像素A的第二子像素的n型层(第二半导体层)312用作第一光电转换单元PDA和第二光电转换单元PDNA两者的n型阴极。因此，n型层(第二半导体层)312累积电子，该电子是根据第一光电转换单元PDA接收到的光量所生成的电子与根据第二光电转换单元PDNA接收到的光量所生成的电子的总和。所累积的电子在传输栅极304的控制下被传输到n+浮动扩散区域302，并且被转换为电压信号。
因此，像素A的第一子像素输出与仅由第一光电转换单元PDA接收到的光量相对应的信号。另一方面，像素A的第二子像素输出与由集成了第一光电转换单元PDA和第二光电转换单元PDNA的光电转换单元PD所接收到的光量相对应的信号。
同样地，像素B的第一子像素输出与仅由第一光电转换单元PDB接收到的光量相对应的信号。另一方面，像素B的第二子像素输出与由集成了第一光电转换单元PDB和第二光电转换单元PDNB的光电转换单元PD’所接收到的光量相对应的信号。
参考图5A和5B，附图标记400表示成像光学系统的出射光瞳；附图标记500表示像素A和B的第二子像素的光瞳光接收区域；附图标记511表示像素A的第一子像素的光瞳光接收区域；以及附图标记521表示像素B的第一子像素的光瞳光接收区域。来自被摄体的光束通过成像光学系统的出射光瞳400而入射到各个像素中。
在本实施例中，能够通过第二子像素获得摄像信号。像素A(像素B)的第二子像素的光瞳光接收区域500与界定像素A的第二子像素的光电转换单元PD(光电转换单元PD’)的光接收面经由微透镜近似共轭，并且用作像素A(像素B)的第二子像素能够接收光的光瞳区域。尽管光瞳距离为数十毫米，但微透镜的直径为若干微米。因此，微透镜的F值为数万，因此发生数十毫米的量级的衍射模糊。自然地，界定光电转换单元PD(光电转换单元PD’)的光接收面上的图像并非是清晰界定的区域而是光接收比率分布。
为了使得将第二子像素用作摄像像素，将第二子像素的光瞳光接收区域500设置为尽可能大以能接收更大量的已通过出射光瞳400的光束，并且将第二子像素的光瞳光接收区域500的重心设置为与光轴近似一致。
在本实施例中，第一子像素用作焦点检测子像素。像素A的第一子像素的光瞳光接收区域511与像素A的第一子像素的界定第一光电转换单元PDA的光接收面经由微透镜近似共轭，并且光瞳光接收区域511用作像素A的第一子像素能够接收光的光瞳区域。像素A的第一子像素的光瞳光接收区域511比像素A的第二子像素的光瞳光接收区域500更小，因此其重心在光瞳面上向着+x侧偏移。图6为示出像素A在光瞳面上沿x轴的光瞳强度分布例子的图。参考图6，虚线表示像素A的第一子像素的光瞳光接收区域511的光瞳强度分布，并且实线表示像素A的第二子像素的光瞳光接收区域500的光瞳强度分布。
另一方面，像素B的第一子像素的光瞳光接收区域521与像素B的第一子像素的界定第一光电转换单元PDB的光接收面经由微透镜近似共轭，并且光瞳光接收区域521用作像素B的第一子像素能够接收光的光瞳区域。像素B的第一子像素的光瞳光接收区域521比像素B的第二子像素的光瞳光接收区域500更小，因此其重心在光瞳面上向着-x侧偏移。图7为示出像素B在光瞳面上沿x轴的光瞳强度分布例子的图。参考图7，交替的长短划线表示像素B的第一子像素的光瞳光接收区域521的光瞳强度分布，并且实线表示像素B的第二子像素的光瞳光接收区域500的光瞳强度分布。
图5C和图8示出像素A的第一子像素的光瞳强度分布、像素B的第一子像素的光瞳强度分布以及像素A(和像素B)的第二子像素的光瞳强度分布。像素A的第一子像素的光瞳强度分布和像素B的第一子像素的光瞳强度分布各自在x方向上分割出射光瞳。同样地，图2中所示的像素A’的第一子像素的光瞳强度分布和像素B’的第一子像素的光瞳强度分布各自在y方向上分割出射光瞳。
图2中示出的像素A210R、210G和210B在x方向上规则地排列，并且将从包括这些像素A的像素A组的各个第一子像素所获取的被摄体图像定义为图像A。同样地，图2中示出的像素B220R、220G和220B在x方向上规则地排列，并且将从包括这些像素B的像素B组的各个第一子像素所获取的被摄体图像定义为图像B。通过检测图像A和B之间的相对位置(图像偏移量)，能够检测出x方向上具有亮度分布的被摄体图像的聚焦偏移量(散焦量)。
图2中示出的像素A’230R、230G和230B在y方向上规则地排列，并且将从包括这些像素A’的像素A’组的各个第一子像素所获取的被摄体图像定义为图像A’。同样地，图2中示出的像素B’240R、240G和240B在y方向上规则地排列，并且将从包括这些像素B’的像素B’组的各个第一子像素所获取的被摄体图像定义为图像B’。通过检测图像A’和B’之间的相对位置(图像偏移量)，能够检测出y方向上具有亮度分布的被摄体图像的聚焦偏移量(散焦量)。这能够通过以下结构实现，其中，界定第一半导体层的光接收面的重心位置与界定第一半导体层和第二半导体层这两者的光接收面的重心位置不同。
同时，能够从各个像素的第二子像素获得摄像信号。这能够通过以下结构完成，其中，第一半导体层包括在第二半导体层中，第二半导体层包括在第三半导体层中，第一半导体层与第二半导体层具有不同的极性，并且第一半导体层与第三半导体层具有相同的极性。
上述结构使得能够在不生成不可用作摄像像素的像素的情况下配置焦点检测像素，因此实现了高质量图像与相位差方式的焦点检测功能两者。
参考图5A至5C，随着成像光学系统的F值的增大，出射光瞳400减小，因此只有光轴附近的光束能够通过出射光瞳。为了即使在F值相对较大的情况下也能检测到散焦量，图8中示出的像素A的第一子像素的光瞳强度分布和像素B的第一子像素的光瞳强度分布需要在光轴附近具有足够高的光接收强度。因此，界定第一光电转换单元和第二光电转换单元两者的光接收面的重心期望包括在界定第一光电转换单元的光接收面中。
图18用由虚线表示的图示出在Si层厚度为400纳米的情况下的分光吸光度。为了让第一光电转换单元和第二光电转换单元两者接收到具有与B(蓝色)相对应的450至470纳米的波长的光的75%以上，第一半导体层的深度期望为400纳米以上。图18还利用由实线表示的图示出在Si层厚度为1500纳米的情况下的分光吸光度。为了让第一光电转换单元和第二光电转换单元两者接收到具有与G(绿色)相对应的520至540纳米的波长的光的75%以上，第一半导体层的深度期望为1500纳米以上。图18还利用由交替的长短划线表示的图示出在Si层厚度为3500纳米的情况下的分光吸光度。为了让第一光电转换单元和第二光电转换单元两者接收到具有与R(红色)相对应的620至640纳米的波长的光的75%以上，第一半导体层的深度期望为3500纳米以上。
图10示出在图9中所示的本实施例中像素A的示意平面图中的截面c-c。图10在上侧示出像素结构的示意截面图，以及在下侧示出能量水平的示意图。
参考图10，附图标记φp和φn表示电源电压，并且φn>φp。附图标记φTp为第一子像素的传输栅极电压；φRp为第一子像素的p+FD的复位栅极电压；φSp为第一子像素的选择栅极电压；以及φLp为线选择栅极电压。此外，附图标记φTn表示第二子像素的传输栅极电压；φRn为第二子像素的n+FD的复位栅极电压；φSn为第二子像素的选择栅极电压；以及φLn为第二子像素的线选择栅极电压。
以下将说明本实施例中第一子像素的累积操作控制，并且对第二子像素同样适用。
首先，为了复位第一子像素的光电二极管PD1，同时接通全部行上的传输栅极电压φTp和复位栅极电压φRp。在传输栅极电压φTp和复位栅极电压φRp同时断开的时刻，累积操作开始。在累积了期望时间后，将全部行上的传输栅极电压φTp接通并且再断开，由此将第一子像素中的信号电荷一次传输到第一子像素的p+FD。接着，针对各行接通/断开选择栅极电压φSp，由此针对各行顺次地读取传输至p+FD的信号电荷。此外，接通/断开线选择栅极电压φLn，由此选择所要读取的列并且顺次地读取这些列。
第一子像素的传输栅极和第二子像素的传输栅极可以根据需要相连接以使得第一子像素和第二子像素共用共同的传输栅极。通过该共用，两个传输栅极信号线能够减少为一个传输栅极信号线，因此更容易地减小像素尺寸。
上述结构使得能够在不生成不可用作摄像像素的像素的情况下配置焦点检测像素，由此实现了高质量的图像和相位差方式的焦点检测功能两者。
第二实施例
图11是本发明的第二实施例中的像素A的示意截面图。可以将具有低载流子密度的p本征层插入到p型层(第一半导体层)和n型层(第二半导体层)之间，以形成光电转换单元具有pin结构的光电二极管。同样地，可以将n本征层插入到n型层(第二半导体层)和p+埋层(第三半导体层)之间，以形成光电转换单元具有pin结构的光电二极管。通过形成具有pin结构的光电转换单元，能够扩大耗尽层的区域，因而提高光接收灵敏度。除形成具有pin结构的光电转换单元以外的其它特征与第一实施例的特征相同。
第三实施例
图12是本发明的第三实施例中的图像传感器的像素阵列的示意图。在图12示出的像素阵列中，将像素A组210、像素B组220、像素A’组230以及像素B’组240以正方形图案排列。将所有类型的像素按4(行)x4(列)像素的间隔规则地排列。这使得在来自各个第一子像素的信号不仅作为焦点检测信号并且还作为例如立体图像用的视差信号进行获取的情况下，便于进行插值处理。除像素阵列以外的其它特征与第一实施例相同。
第四实施例
图13是本发明的第四实施例中的图像传感器的像素阵列的示意图。在图13中示出的像素阵列中，将如第一实施例那样包括第一子像素和第二子像素的像素仅形成为拜尔排列中的G像素。通过在图像传感器上部分地形成包括第一子像素和第二子像素的像素以减少每像素的信号线和晶体管的数量，能够更加容易地减小像素尺寸。除了像素阵列以外的其它特征与第一实施例相同。
第五实施例
图14是本发明的第五实施例中的像素A的示意截面图。参考图14，在p型层(第一半导体层)311和n型层(第二半导体层)312上方形成表面n+层313和表面p+层314，以形成埋入型光电二极管。通过形成埋入型光电二极管，能够抑制预期根据界面级而生成的暗电流噪声，因而改善S/N比。除形成埋入型光电二极管之外的其它特征与第一实施例相同。
第六实施例
图15是本发明的第六实施例中的像素A的示意截面图。参考图15，本发明中的包括第一子像素和第二子像素的像素被形成在从互连层的相反侧接收光的背侧照射图像传感器上。在背侧照射图像传感器中，“界定第一半导体层的光接收面的重心”是指通过将第一半导体层垂直投影到光接收面上而获得的密度分布的重心。此外，“界定第一半导体层和第二半导体层两者的光接收面的重心”是指通过将包括第一半导体层和第二半导体层这两者的区域垂直投影到光接收面上而获得的密度分布的重心。如本实施例中所述，背侧照射图像传感器还配置成：界定第一半导体层的光接收面的重心与界定第一半导体层和第二半导体层这两者的光接收面的重心不同。除利用背侧照射图像传感器之外的其它特征与第一实施例相同。
第七实施例
图16是本发明的第七实施例中的图像传感器的像素阵列的示意图。图16在4(列)x4(行)像素的范围中示出本实施例中的二维CMOS传感器(图像传感器)的像素阵列。在本实施例中，图16中示出的包括2(行)x2(列)像素的像素组250采用拜尔排列，其中将具有G的分光灵敏度的像素250G配置为对角的两个像素，并且将具有R的分光灵敏度的像素250R和具有B的分光灵敏度的像素250B配置为其余的两个像素。各个像素250R、250G和250B包括视差图像用的4个第一子像素和摄像用的1个第二子像素。
图17A为图16中示出的图像传感器的一个像素250G从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看时的平面图，并且图17B为图17A中从-y侧观看时的截面d-d的截面图。
如图17A和17B中所示，在本实施例中的像素250G中，将n型层(第二半导体层)352形成为包括在p型阱(第三半导体层)300中，并且将4个p型层(第一半导体层)351形成为包括在n型层(第二半导体层)352中。4个p型层(第一半导体层)351分别向(-x，-y)、(x，-y)、(x，y)和(-x，y)偏移。更具体地，将p型层(第一半导体层)351分割为多个部分半导体层，并且界定至少一个部分半导体层的光接收面的重心相对于界定包括多个部分半导体层的p型层(第一半导体层)351和1个n型层(第二半导体层)352这两者的光接收面的重心发生偏移。注意，第一半导体层与第二半导体层具有不同的极性，并且第一半导体层与第三半导体层具有相同的极性。除上述之外的其它特征与第一实施例相同。上述结构使得能够与所拍摄图像同时获取视差图像。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。
本申请要求2010年9月7日提交的日本专利申请2010-200291的优先权，在此通过引用包含该申请的全部内容。

Claims (6)

1.一种图像传感器，其中，各个像素包括第一子像素、第二子像素、第三半导体层以及微透镜，该第一子像素包括第一半导体层，该第二子像素包括具有与所述第一半导体层的极性不同的极性的第二半导体层，该第三半导体层具有与所述第一半导体层的极性相同的极性，并且该图像传感器包括所述第一半导体层包括在所述第二半导体层中、并且所述第二半导体层包括在所述第三半导体层中的多个像素，其中，
界定所述第一半导体层的光接收面的重心位置与界定所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的光接收面的重心位置不同。
2.一种图像传感器，其中，各个像素包括第一子像素、第二子像素、第三半导体层以及微透镜，该第一子像素包括第一半导体层，该第二子像素包括具有与所述第一半导体层的极性不同的极性的第二半导体层，该第三半导体层具有与所述第一半导体层的极性相同的极性，并且该图像传感器包括所述第一半导体层包括在所述第二半导体层中、并且所述第二半导体层包括在所述第三半导体层中的多个像素，其中，
所述第一半导体层被分割成多个部分半导体层，并且界定至少一个所述部分半导体层的光接收面的重心位置与界定所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的光接收面的重心位置不同。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，所述图像传感器在相对于所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的所述微透镜侧包括颜色滤波器。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的图像传感器，其中，界定所述第一半导体层和所述第二半导体层两者的光接收面的重心位置包括在界定所述第一半导体层的光接收面中。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，在包括不同颜色的颜色滤波器的至少两个像素中，所述第一半导体层与所述第二半导体层的结构是共通的。
6.一种包括权利要求1至5中的任何一项所述的图像传感器的摄像设备。
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