CN106454165A - 具有非局部读出电路的图像传感器以及包括所述图像传感器的光电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有非局部读出电路的图像传感器，其包括基板、和多个像素、以及操作地连接于所述多个像素的控制单元，其中，控制单元包括：第一和第二偏压电路，第一和第二偏压电路用于分别提供基本上对称的第一和第二偏压、并且分别包括选择性地偏压像素的第一和第二选择装置；以及读出电路，用于读出像素；并且，每个像素包括：光敏元件，包括与传输层关联的光敏化层；非光敏基准元件；第一和第二触点，分别线路地连接于第一和第二偏压电路；以及输出触点，线路地连接于读出电路；其中，光敏元件线路地连接在第一触点与输出触点之间，并且基准元件线路地连接在输出触点与第二触点之间。本发明还涉及一种包括所述图像传感器的光电系统。

Description

具有非局部读出电路的图像传感器以及包括所述图像传感器 的光电装置
技术领域
本发明涉及图像传感器的领域，特别地涉及这样的图像传感器，该图像传感器包括基板、多个像素、以及控制单元，所述多个像素设置在基板的第一区域上，所述控制单元操作地连接于所述多个像素并且适于选择性地偏压所述像素并将它们读出。根据本发明的图像传感器实现所述多个像素连同控制单元的有效集成(efficient integration)，同时避免了像素中(in-pixel，位于像素中的)读出电子装置、形成了更简单且紧凑的像素、并使得图像传感器良好地适用于集成在需要是柔性的和/或能伸展的和/或对于人眼来说是透明的(或至少部分地透明的)装置中。此外，本发明的图像传感器的特定像素设计使得可能获得具有高光导增益、增强的灵敏度和/或提高的感光度的像素。本发明还涉及一种包括所述图像传感器的光电装置。
背景技术
图像传感器的使用在多种应用中是已知的，仅列举几个，所述多种应用涉及从一般消费者器具部门到专业的摄影、以及工业的、医学的和/或科学范围的应用。
典型的图像传感器包括操作地连接于控制单元的多个像素，所述控制单元适于选择性地偏压所述像素并将它们读出。每个像素均包括通常为光电二极管的感光元件(photo-active element)或光检测器。
当前，与CMOS工艺完全兼容的有源像素传感器(APS)在图像传感器市场上占主导地位。APS中的典型像素包括用于收集光的光电二极管、在读出期间允许像素被各自地寻址的开关元件(诸如，例如晶体管)、以及放大器。
APS设计的目前技术趋势的目标在于像素的小型化且与此同时在像素中同时地嵌入更多的功能以提供增强的特征(诸如，全局开闭(global shuttering)或噪声降低)。但是，这些矛盾的趋势使得像素以及整个图像传感器的设计复杂化。
因为像素的尺寸缩小，因此它们的光电二极管的尺寸也缩小。考虑到典型光电二极管的量子效率不能超过可见范围和红外范围的量子效率，APS严格地依赖于达到非常低的噪声水平和/或依赖于利用长的曝光时间，以实现较高的信噪比。此外，随着在像素内需要越来越多的晶体管来实现这种高级功能，用于光电二极管的光收集的可用区域(或像素填充率)被进一步减少。因此，将需要具有改进的像素设计和更复杂的读出电路的图像传感器来应对越来越高要求的性能规格。
已经开发了背照式(后侧照明式，back-side illuminated)图像传感器，以试图克服传统图像传感器(也被称为前照式图像传感器)的像素填充率的减少。在背照式图像传感器中，像素中读出电子装置被布置在包括光电二极管的半导体层的后方，这与前照式图像传感器形成对照，在前照式图像传感器中，所述像素中读出电子装置位于与光电二极管相同的半导体层之上或上方。这典型地通过以下来实现：在制造期间翻转半导体晶圆、以及然后将它的反面薄化，从而使得进入的光可撞击(impinge)于光电二极管上，而不穿过像素中读出电子装置。因此，背照式图像传感器实现了像素填充率的显著改进，并且因此实现了它们的光子收集能力的显著改进，当像素尺寸较小时，改进甚至更加显著。但是，背照式图像传感器的一个重要缺点是，它们的制造变得明显更复杂且昂贵。
在APS之后，电荷耦合器件(CCD)占据了图像传感器的市场的第二大部分，电荷耦合器件虽然也使用用于光收集的光电二极管，但是它们的制造和操作与APS的制造和操作有很大不同。在CCD中，在给定像素处通过光子的收集所产生的、并且初始地被存储在所述像素中的电容存储元件中的电荷然后从器件内被传送到它可被转换为电信号的处理区域。典型地，像素的由光收集产生的电荷向处理区域的传送是以步阶式且同步的方式进行，在所述方式中，二维布置的像素的每一行(或列)的像素中所收集的电荷被逐渐地移位一行(或列)、并且被存储在相邻行(或列)中的像素的电容存储元件中，直到最后到达CCD的处理区域。
与APS相比，CCD不需要在像素内设置开关元件或放大器。但是，这种图像传感器的主要缺点中之一是：它们需要更复杂的读出电子装置来处理电荷移位过程。此外，CCD要求昂贵的专门制造技术，并且更加重要地，该技术与标准的CMOS工艺不兼容。
要考虑的另一重要方面是图像传感器将操作的光谱范围，因为它将大大地决定用于制造像素的感光元件的可用光吸收材料的选择。
在那个意义上，硅被广泛应用于在可见范围和近红外范围中操作的图像传感器中。与此相反，尤其地，化合物(诸如InGaAs或HgCdTe)经常被用于红外范围(包括短波红外子范围和/或长波红外子范围)。最后，对于在紫外区域和短波范围中操作的图像传感器来说，一些已知的合适材料包括宽带隙半导体(诸如，例如AlGaN)。
与基于CMOS的图像传感器相比，将用于其控制单元的硅(例如，CMOS技术)与用于像素的感光元件的感光材料(而不是硅)相集成的图像传感器(也称为混合图像传感器)提供了扩大的操作光谱范围。但是，如同基于CMOS的图像传感器那样，混合图像传感器亦未提供对小型化以及在像素级嵌入更多功能的技术挑战的实用解决方案，并且增加的缺点是：这种混合集成涉及困难的且昂贵的粘合工艺。
近年来，消费者器具、能佩戴装置和移动装置的应用市场的飞速发展已经引起了在能提供柔性的和/或能伸展的和/或对人眼来说透明的(或至少部分地透明的)部件、以及甚至完整装置的技术的发展方面的日益关注。
考虑到大部分这种装置结合有图像传感器，将期望的是具有一种能提供柔性的和/或透明的图像传感器的成像技术。但是，如上所述的成像技术中没有一个旨在生产具有这些特性的图像传感器。
已经提出一些图像传感器来尝试提供透明的解决方案。例如，文献US 5,349,174A公开了一种图像传感器，其具有设置于透明基板上的二维布置的像素。此外，所述图像传感器的像素包括也是透明的一些元件，诸如，例如存储电容器。虽然所形成的图像传感器是半透明的(因为由像素所占据的区域的仅一部分是透明的)，其并未旨在是柔性的。此外，图像传感器的控制单元需要像素开关元件来在读出时对各个像素进行寻址，这减少了像素填充率、并且增加了像素设计的复杂性以及控制单元的读出电路的复杂性。
还已经进行了一些尝试来提供柔性图像传感器。例如，文献US 6,974,971 B2描述了一种图像传感器，其可弯曲达到一定程度，并且其包括设置于基板的离散区域上的像素阵列。基板的所选区域(该所选区域远离形成有像素的那些区域)被弱化、以便在装置的弯曲时促使基板在那些区域优先地发生挠曲，并且以这种方式减少了损坏像素的风险。另一实例公开在US 8,193,601 B2中，其中，图像传感器包括多个像素，每个像素均具有设置于柔性基板上的作为感光元件的PIN光电管。但是，这些解决方案远不能令人满意地用作像素中选择元件(特别是薄膜式晶体管(TFT))，并且仍需要选择性地读出像素。
如在US6,300,612B1中所描述的，基于有机光电二极管的感光元件也已经被认为是用于柔性的且透明的图像传感器的有力选择。但是，这些图像传感器将通常仍需要像素中开关元件来对各个像素进行寻址。此外，有机光电二极管具有相当有限的灵敏度(远小于1A/W)，当被用在图像传感器(特别是以小尺寸像素为特征的那些图像传感器)中时，这可能是有问题的。
基于用于不同应用的二维(2D)材料(诸如，例如石墨烯)的有源器件的使用是正在进行的研究的目的。例如，具有由石墨烯制成的光敏元件(photosensitive element)的单像素光检测器已被证明为构思的验证。还已经提出了基于2D材料(例如，石墨烯，如在例如US 8,053,782 B2中所公开的)的、或基于半导体纳米晶体(例如量子点，参见例如专利US8,803,128 B2)的光检测器在全尺寸图像传感器的像素中的使用。但是，这些图像传感器典型地呈现出有限的光导增益。
因此，将非常期待的是具有这样的图像传感器，在所述图像传感器中，它们的像素的光敏元件能够提供高光导增益，而不会由于例如高暗电流水平损害像素灵敏度。
文献US2014353471A1描述了一种基于光敏和屏蔽的光电二极管的暗电流抑制系统，并且该系统包括仅一个偏压电路(提供偏压电压VRT，如图1中所示)。所述文献中提出的系统提供了基于温度信息和温度依赖调整信息的暗电流补偿。
文献WO 2013/017605 A1公开了一种光电晶体管，其包括由石墨烯制成的传输层、以及设置在传输层上方且由胶体量子点制成的敏化层。敏化层吸收入射光，并且诱发了与之相关联的传输层的传导性的改变。石墨烯的较高载流子迁移率和量子点中的较长的载流子寿命使得该文献中所公开的光电晶体管可能获得较大的光导增益。但是，该装置仅能在以增加的暗电流水平为代价的情况下实现预期的灵敏度水平，这又降低了装置的灵敏度和散离噪声极限。
文献US 2014/0299741 A1涉及一种使用敏化石墨烯光检测器的透明环境光传感器，其包括布置在石墨烯片上的两种类型的量子点。通过检测两种类型的量子点的响应方面的差异，传感器可提供环境光和带宽感测。虽然该解决方案可用于减少数量的光检测器，但是它不可扩展到涉及大量像素(典型地数百万个像素，每个像素均包括光检测器)的成像应用，因为对于任何实际的图像传感器来说，装置的用于同时偏压所有像素的功耗均将是过高的。此外，环境光传感器的构造与图像传感器的构造非常不同，图像传感器要求控制单元选择性地读出像素。
Findlater K.M.等人在IEEE Transactions on Electron Device(IEEE电子器件会报)第50卷No.1第32-42页的论文“A CMOS image sensor with a double junctionactive pixel”(具有双接头有源像素的CMOS图像传感器)中公开了一种CMOS图像传感器，其使用竖直集成双接头光电二极管结构。该论文中公开的图像传感器的读出电路的一些元件是局部的，即，布置在像素级下。具体地，对于该论文图7中示出的布置，像素包含六个有源晶体管，重置和读出数据线与所述六个有源晶体管连接，并且所述六个有源晶体管构成读出电路的局部元件。形成所述论文中公开的图像传感器的光电二极管既不能被看做光敏元件，也不包括用于传输电荷载流子的传输层。
因此，本发明的目的是提供一种增强的图像传感器，在该图像传感器中，能够以简单且有效的方式实现它的像素与控制单元的集成，同时避免由于像素中读出电子装置而导致像素填充率的减少。
另外，本发明的目的是提供一种图像传感器，在该图像传感器中，它的像素包括能够实现高光导增益和/或增强的灵敏度的改进光敏元件。
本发明的另一目的是提供一种图像传感器，其中它的像素具有提高的感光度，并且该图像传感器不要求为了实现高信噪比而对装置进行深度冷却。
本发明的又一目的是提供一种良好地适用于柔性的和/或能伸展的和/或透明的光电装置的图像传感器。
发明内容
在本发明的范围内，术语图像传感器是指m×n像素的光检测器阵列，其中m和n可为从1开始的任何数字。
本发明的一个方面涉及一种具有非局部读出电路的图像传感器，其包括基板、布置在基板的第一区域上的多个像素、以及操作地连接于所述多个像素并适于选择性地偏压所述像素且将它们读出的控制单元。该图像传感器具有如下特征，即，控制单元包括：第一偏压电路，用于提供第一偏压电压；第二偏压电路，用于提供第二偏压电压，第二偏压电压与第一偏压电压相对于基准电压基本上对称；以及读出电路，用于读出由撞击于像素上的光所产生的光信号。
第一偏压电路和第二偏压电路分别包括第一选择装置和第二选择装置，所述第一选择装置和第二选择装置选择性地偏压所述多个像素中的待在给定时间被读出的一个或多个像素，第一选择装置和第二选择装置被布置在基板的第一区域外部。
根据本发明，图像传感器进一步的特征是，所述多个像素中的每一个像素包括：光敏元件，包括与传输层关联的光敏化层，传输层包括至少一个二维材料层；非光敏基准元件，邻近于光敏元件设置，基准元件具有与光敏元件的暗电导率基本上匹配的暗电导率；第一触点，线路地连接于第一偏压电路；第二触点，线路地连接于第二偏压电路；以及输出触点，线路地连接于读出电路。
此外，光敏元件线路地连接在第一触点与输出触点之间，并且基准元件线路地连接在输出触点与第二触点之间。
读出电路被称作非局部读出电路的原因在于，其布置在基板的第一区域外部，并且优选地上述多个像素中的所有像素均没有嵌入式读出装置。
对于一优选实施例，第一偏压电路和第二偏压电路是独立偏压电路，具有分别提供第一偏压电压和第二偏压电压的各自独立的控制电子器件。
图像传感器的像素中的光敏元件与非光敏基准元件的组合使得可能获得高光导增益、以及敏化的基于二维材料的光检测器的增强的灵敏度的全面效果，而不会遭受增加的暗电流水平以及因而导致的在像素灵敏度方面的损失的缺陷。
非光敏(或盲的)基准元件、连同光敏元件和基准元件的特定相互连接一起、以及它们的具有基本上对称的偏压电压的偏压使得对像素的光敏元件中所产生的光信号的平衡读出方案成为可能，所述方案使得可基本上抑制在曝光周期期间由于偏压电压而在像素的光敏元件中所产生的暗电流。
以这种方式，不再需要为了使暗电流水平保持较低而损失光敏元件的电性能(例如灵敏度)。结果，无论所施加的偏压电压为多少，本发明的图像传感器均使得可获得增强的像素灵敏度和高信噪比，即使在不对装置进行冷却的情况下也是如此。
布置在每个像素中的非光敏的(或盲的)基准元件具有的暗电导率与所述基准元件所关联的像素的光敏元件的暗电导率基本上匹配。以这种方式，基准元件模拟所述像素的光敏元件在曝光周期期间的行为。
根据本发明，如果像素的基准元件的暗电导率与所述像素的光敏元件的暗电导率相差不大于25％、20％、15％、10％、8％、5％、3％或甚至1％，则前者的暗电导率基本上匹配后者的暗电导率。
在一些实施方式中，每个像素的基准元件被各自地精细调整，以使得它的暗电导率紧密地匹配它所关联的光敏元件的暗电导率。
此外，因为光敏元件在第一触点与输出触点之间的布置以及基准元件在输出触点与第二触点之间的布置，所以，当基本上对称的偏压电压被施加至给定像素的第一触点和第二触点时，所述像素的输出触点处的电压差直接包含由入射光在所述像素中所产生的光信号。
如果像素的基准元件的暗电导率精确地匹配所述像素的光敏元件的暗电导率，则通过将第二偏压电压设定为与第一偏压电压精确地对称而能够最佳地抑制在曝光周期期间在所述像素的光敏元件中所产生的暗电流。但是，在实际情形中，像素的基准元件的暗电导率和其所关联的光敏元件的暗电导率之间更可能发生基本匹配而不是完美的匹配。为此原因，可能有利的是将第一偏压电压和第二偏压电压设定为稍微不同的差值，但仍然基本上是对称的，以便使在像素中所产生的暗电流最小化。换句话说，第一偏压电压和第二偏压电压之间的微幅“微调”可有效地补偿像素的基准元件和光敏元件的暗电导率之间的残余失配。
从像素的光敏元件获得的光导增益有利地消除了对在像素内由入射光产生的光信号进行前置放大的需要，这与需要这种前置放大的APS的像素相反。
此外，第一选择装置和第二选择装置允许选择性地偏压图像传感器的像素，从而仅启用待在给定时间被读出的一个或多个像素，而使其它像素保持禁用。以这种方式，本发明的图像传感器不需要用于读出处理的像素中选择元件。
考虑到光敏元件和基准元件可直接连接在第一和第二偏压触点与输出触点之间而不需要任何附加的像素中电子装置(诸如放大器或选择元件)，所以像素设计被大大地简化，使得可用于光收集的面积最大化。以这种方式，可获得更小尺寸的像素而不会降低像素填充率，像素填充率仍然可以是非常高的。
像素的光敏元件的高光导增益与像素的平衡偏压方案相组合使得可将读出电子装置从像素内部转移到基板的由所述多个像素所占据的第一区域的外部。读出电子装置现在可以有利地布置在所述基板的周边部分上或者甚至布置在不同基板上，因此获得具有非局部读出电路的图像传感器。
在本发明的背景中，术语“非局部读出电路”优选地是指这样的事实，即，不存在嵌入于图像传感器的像素中的读出电子装置，这与存在像素中读出电子装置的现有技术的图像传感器形成对照。
最后，因为在基板的由所述多个像素所占据的区域中不需要不透明的和/或大体积的电子装置，所以所形成的图像传感器便于集成到需要是柔性的和/或能伸展的和/或对于人眼来说是透明的(或至少部分地透明的)装置中。
根据本发明，如果在光谱的可见部分中的入射光的至少80％透射穿过所述装置，则该装置就被认为是透明的。类似地，如果在光谱的可见部分中的入射光的至少30％透射穿过所述装置，则该装置就被认为是部分地透明的。可替代地，如果在光谱的可见部分中的入射光的小于3％透射穿过所述装置，则该装置就被认为是不透明的。
还是根据本发明，柔性的装置优选地是指这样的装置，即，所述装置能够变形、扭曲、弯曲、卷曲和/或折叠(因此改变它的形状或形式)、而不会被损坏或使它的性能劣化。
另外根据本发明，能伸展的装置优选地是指这样的装置，即，所述装置能够变形、张紧、伸长、和/或变宽(因此改变它的形状或形式)、而不会被损坏或使它的性能劣化。
在本发明的背景中，术语“二维材料”优选地是指这样的材料，即，该材料包含布置为二维薄片的多个原子或分子，所述二维薄片的厚度基本上等于构成它的原子或分子的厚度。
在一些实施方式中，一个或多个像素的光敏元件的传输层包括至少五个、十个、二十个、四十个或者甚至五十个二维材料层。
还是在本发明的背景中，被关联于传输层的光敏化层优选地是指这样的事实，光敏化层中的光吸收导致传输层中电荷载流子密度的变化，对于一个实施例来说，传输层包括石墨烯。
这可能例如由于以下过程：
即，来自于由于光子的吸收而在光敏化层中所产生的电子-空穴对的电子(或空穴)可被传送到传输层，而所述电子-空穴对的空穴(或电子)保持被捕获在光敏化层中或光敏化层与传输层之间的界面中(诸如，例如被捕获在设置于它们之间的介电层中)。在一些实施方式中，光敏化层设置在传输层上方(诸如，例如直接设置在传输层上方)。可替代地，在一些其它实施方式中，光敏化层设置在传输层下方(诸如，例如直接设置在传输层下方)，从而光子在它到达其将被吸收的光敏化层之前必须穿过传输层。
替代地，光敏化层中的光吸收导致光敏化层的表面附近的束缚电荷。这将电荷吸入到石墨烯和/或形成传输层的任何其他材料中，改变其导电性。
从这个意义上讲，由光敏化层和传输层形成的异质结降低了重新组合的速度、并且使得可收集用于单个被吸收的光子的多个电载流子，这与被包含在传输层中的二维材料的高载流子迁移率相结合，使得像素的光敏元件具有极高的光导增益和灵敏度的特征。
此外，像素的光敏元件的光谱感光度可有利地通过适当地选择光敏化层的材料来定制。以这种方式，用于光敏元件的光探测的光谱范围可在较大带宽上扩展。
在一些实施方式中，一个或多个像素的光敏元件的光敏化层包括光吸收半导体、二维材料、聚合物、染料、量子点(诸如，例如胶体量子点)、铁电材料、钙钛矿(Perovskite)和/或它们的组合。
光敏化层例如可包括含有上述材料的混合物的纳米复合膜。它还可是单层结构，或者可替代地，它可以是多层结构，在所述多层结构中，上述材料中的一种或多种构成堆积于彼此的不同层，每个层的厚度优选地在大约5nm与大约400nm之间。
在光敏化层包含量子点的那些实施方式中，它们优选地是如下类型中的一个或多个：Ag2S、Bi2S3、CdS、CdSe、CdHgTe、Cu2S、CIS(铜铟二硫化物)、CIGS(铜铟镓硒化物)、CZTS(铜锌锡硫化物)、Ge、HgTe、InAs、InSb、ITO(铟锡氧化物)、PbS、PbSe、Si、SnO2、ZnO、和ZnS。
类似地，在一些实施方式中，被包括在一个或多个像素的光敏元件的传输层中的至少一个二维材料层包括以下材料中的一个或多个：石墨烯、MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、黑磷、SnS2、以及h-BN(六方氮化硼)。
在本发明的背景中，如果两个电压相对于基准电压具有相反的符号、并且一个电压的大小与另一个电压的大小相差小于25％、20％、15％、10％、8％、5％、3％或者甚至1％，则所述两个电压被认为是基本上对称的(特别是相对于基准电压是基本上对称的)。
还是在本发明的背景中，如果图像传感器的一个层(或元件、触点、器件)沿垂直于图像传感器的基板的方向比另一个层(或元件、触点、器件)离所述基板更远，则所述一个层(或元件、触点、器件)被认为是位于所述另一个层(或元件、触点、器件)上方。
类似地，如果图像传感器的一个层(或元件、触点、器件)沿所述垂直方向比另一个层(或元件、触点、器件)离图像传感器的基板更近，则所述一个层(或元件、触点、器件)被认为是位于所述另一个层(或元件、或触点、或器件)下方。
还是根据本发明，除非以其它方式明确地指出，否则术语“上方(或下方)”不应当被理解成暗示一个层(或元件、触点、器件)紧密地或直接地位于另一个层(或元件、触点、器件)上方(或下方)。从那个意义上讲，一个层被设置在另一个层上方(或下方)不排除在那两者之间布置有附加层的可能性。
以相同的方式，在本发明的背景中，术语“线路地连接”优选地是指这样的事实，即，第一实体(例如，触点、元件或电路)可通过电路而连接于第二实体，该电路可包括操作地布置在所述两个实体之间的一个或多个导电迹线和/或一个或多个电路部件。因而，除非明确地说明，否则术语“线路地连接”不应当被理解成要求第一实体与第二实体的直接欧姆连接(即，没有任何中介电路部件)。
在一些实施方式中，第一选择装置和/或第二选择装置有利地包括多个开关或多路转换器。
在一些实施方式中，给定像素处的第一触点和输出触点设置在所述像素的光敏元件的传输层上方，而在其它实施方式中，所述第一触点和输出触点被设置在所述光敏元件的传输层下方。在又一些实例中，所述两个触点中的一个触点设置在像素的光敏元件的传输层上方，而另一个触点设置在光敏元件的传输层下方。
在某些情况中，所述多个像素中的一个或多个像素的第一触点、第二触点和/或输出触点由透明的导电氧化物(诸如铟锡氧化物(ITO))制成。
在一些实例中，控制单元设置在基板的第二区域上，所述第二区域不与其上布置有所述多个像素的所述第一区域交叠。但是，在其它实例中，控制单元设置在图像传感器中提供的另一基板上。
在第一组实施方式中，所述多个像素中的至少一个像素的基准元件包括传输层，所述传输层包括至少一个二维材料层。优选地，所述基准元件进一步包括与基准元件的传输层关联的光敏化层。
因为基准元件的结构模仿像素的光敏元件的结构，所以可以简单方式获得具有与光敏元件的暗电导率准确地匹配的暗电导率的基准元件。
在这些实施方式中，给定像素处的第二触点和输出触点可两者均设置在所述像素的基准元件的传输层上方、两者均设置在所述像素的基准元件的传输层下方、或者一者设置在所述像素的基准元件的传输层上方而另一者设置在所述像素的基准元件的传输层下方。
在所述至少一个像素的基准元件包括传输层以及与传输层关联的光敏化层的一些实例中，所述基准元件进一步包括第一光阻挡层，该第一光阻挡层设置在所述基准元件的光敏化层和传输层上方。
第一光阻挡层有利地覆盖所述基准元件的光敏化层和传输层，确保了不会由于光线撞击在图像传感器上而在基准元件产生光信号。否则，所述基准元件的传导率将会被不合需要地改变，并且因此，它的从在像素的光敏元件处产生的光信号中减去暗电流分量的能力将被降低。
更优选地，所述至少一个像素的基准元件还包括第二光阻挡层，第二光阻挡层设置在所述基准元件的光敏化层和传输层下方。
第二光阻挡层保护所述基准元件的光敏化层和传输层免受可能穿过图像传感器的基板而到达的光的影响，如它可能在图像传感器包括薄的和/或透明的基板的那些情况中发生的那样。
在本发明的背景中，术语“光阻挡层”优选地是指这样的事实，即，所述光阻挡层对于所述多个像素的光敏元件的操作波长范围来说是不透明的。但是，所述光阻挡层可能同时对于人眼来说是透明的、或至少部分地透明的。
可替代地，图像传感器可包括对于所述多个像素的光敏元件的操作波长范围来说是不透明的基板。这种特征有利地消除了对所述至少一个像素的基准元件中的第二光阻挡层的需要。
在一个实施方式中，第一光阻挡层和/或第二光阻挡层采取钝化层的形式，所述钝化层优选地包含氧化物。
可替代地，在这种情况的其它情形中，所述至少一个像素的基准元件的光敏化层在所述像素的光敏元件的操作波长范围中是不感光的。
这形成了一种简单的基准元件设计，因为它消除了对光阻挡层的需要，原因在于撞击于所述基准元件上的光不能被它的光敏层吸收。
在本发明的背景中，如果在像素的光敏元件的操作波长范围内在任何给定波长处所述基准元件的光敏化层的光谱吸收度均小于对于该操作波长范围来说光敏元件的最低光谱吸收度的25％，则所述像素的基准元件的光敏化层被认为在那个波长范围中是不感光的。
在该第一组的一些实施方式中，所述至少一个像素的基准元件的传输层具有比光敏元件的传输层更小的面积。以这种方式，由于像素中存在基准元件而使得日常费用最小化。为了避免改变基准元件的暗电导率(该暗电导率必须与同一像素中所包含的光敏元件的暗电导率基本上匹配)，基准元件的传输层可以优选地具有与光敏元件的传输层相同的形状(或几何因数或形状因数)。
可替代地，如果像素的基准元件的传输层和光敏元件的传输层具有不同的形状，则基准元件的传输层的掺杂可有利地相对于光敏元件的传输层的掺杂而改变，以使得前者的暗电导率与后者的暗电导率基本上匹配。
在一些情况中，所述多个像素中的一个或多个像素的基准元件的横向尺寸小于所述像素的光敏元件的操作波长范围的衍射极限。以这种方式，所述像素的基准元件不阻挡入射在图像传感器上的任何光。
可选地，所述多个像素中的至少一个像素的基准元件布置在基板与所述像素的光敏元件之间。这种布置有利地利用该结构的第三维来获得更紧凑的结构。而且，通过将基准元件设置在光敏元件下方，进一步防止了通过基准元件的传输层和/或光敏化层的光吸收。
但是，在其它实施方式中，像素的基准元件设置在与所述像素的光敏元件相同的水平上。
在一些实例中，图像传感器进一步包括与所述多个像素的光敏元件关联的一个或多个主绝缘层。在这些实例中，所述多个像素中的至少一个像素优选地包括：
-背栅触点，设置在基板与所述至少一个像素的所述光敏元件之间，位于主绝缘层与所述基板之间，其中所述主绝缘层被设置在所述光敏元件与所述基板之间；和/或
-顶栅触点，设置在所述至少一个像素的所述光敏元件上方。
通过提供背栅触点和/或顶栅触点，像素的光敏元件可被选通以精细地控制光敏化层的传导率和光敏度(photosensitivity)。
优选地，顶栅触点和/或背栅触点由透明材料制成，以便不妨碍像素的光敏元件的光吸收能力。
在像素包括设置在其光敏元件上方的顶栅触点的那些情况中，图像传感器优选地包括设置在所述顶栅触点与所述像素的光敏元件之间的一个(或又一个)主绝缘层。
在所述第一组的一些实施方式中，图像传感器可还包括与所述多个像素的基准元件关联的一个或多个副绝缘层。则在这种实施方式中，所述多个像素中的至少一个像素优选地包括：
-背栅触点，设置在基板与所述至少一个像素的基准元件之间，位于副绝缘层与基板之间，其中所述副绝缘层被设置在所述基准元件与所述基板之间；和/或
-顶栅触点，设置在所述至少一个像素的所述基准元件上方。
通过提供背栅触点和/或顶栅触点，像素的基准元件可被选通以精细地控制它的传导率。
此外，在像素包括设置在其基准元件上方的顶栅触点的那些情况中，图像传感器优选地包括设置在所述顶栅触点与所述像素的基准元件之间的一个(或又一个)副绝缘层。
根据本发明，与光敏元件关联的主绝缘层优选地是指这样的事实，即，所述主绝缘层设置在所述光敏元件的传输层和光敏化层两者上方(诸如，例如直接设置在所述两者上方)，或者可替代地，所述主绝缘层设置在所述光敏元件的传输层和光敏化层两者下方(诸如，例如直接设置在所述两者下方)。
类似地，还是根据本发明，与基准元件关联的副绝缘层优选地是指这样的事实，即，所述副绝缘层设置在所述基准元件上方(诸如，例如直接设置在所述基准元件上方)，或者可替代地，所述副绝缘层设置在所述基准元件下方(诸如，例如直接设置在所述基准元件下方)。从那个意义上讲，如果基准元件包括传输层和光敏化层，则副绝缘层将位于基准元件的传输层和光敏化层两者上方或下方。
优选地，所述一个或多个主绝缘层和/或副绝缘层包含氧化物。
在一些情况中，图像传感器进一步包括设置在所述多个像素上方的封装层。以这种方式，像素的光敏元件和基准元件有利地被保护。优选地，封装层包含具有宽带隙的介电材料，以便使在光敏元件的操作波长处的光的吸收最小化。
在本发明的图像传感器的一些实施方式中，所述多个像素被分组成群集，每个群集均包括一个或多个像素，并且每个群集的所述一个或多个像素的光敏元件的光敏化层对不同范围的光谱敏感。
这使得可获得一种具有扩展的操作频率范围的图像传感器，所述频率范围覆盖从X射线光子和紫外(UV)到红外(IR)，包括近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)、以及甚至THz频率。它还允许通过例如定制所选择的用于光敏化层的材料的特性来实现具有多色像素的图像传感器。
本发明的图像传感器和光电系统还可应用于度谱术，从而构成光谱仪。
在本发明的图像传感器的优选实施方式中，所述多个像素被设置为包括多个行的二维阵列，每个行均包括相同数量的像素。在所述实施方式中，第一选择装置和第二选择装置分别包括用于选择性地偏压阵列的行的第一行选择开关和第二行选择开关。
第一行选择开关和第二行选择开关使得可启用阵列中的仅一行(或几个行)，而保留其它行禁用。以这种方式，图像传感器在操作期间的功耗有利地被减少。
优选地，控制单元操作地连接于第一行选择开关和第二行选择开关，并且被构造成通过一次启动一行中的第一行选择开关和第二行选择开关而顺序地读出像素行。
通过顺序地偏压行，大大地简化了阵列的像素与读出电路的连接，因为位于不同行中的像素(例如形成二维阵列中的列的像素)可例如菊花链式(daisy-chain)连接于读出电路。在这种配置中，在读出过程期间的任何时间，位于未被选择的行中的像素保持禁用，而不会对将所选行的给定像素与读出电路相连接的电通路加载。
在所述优选实施方式的一些实例中，读出电路包括：
-多路转换器，包括与每行中存在的像素一样多的输入端子、以及一输出端子，所述多路转换器的每个输入端子均线路地连接于每行的像素的输出触点；以及
-放大器，操作地串联连接于多路转换器的输出端子。
此外，在所述实例中，读出电路可选地包括存储元件，所述存储元件被配置成存储与所述多个像素的像素中所产生的光信号成比例的电压，所述存储元件操作地串联连接于放大器。
考虑到大部分读出电子装置是由二维阵列中的所有像素所共享的，所以在这些实例中，由于所述读出电路而使得日常费用被最小化。
可替代地，在所述优选实施方式的其它一些实例中，读出电路包括：
-与每行中存在的像素一样多的放大器，每个放大器均具有线路地连接于每行的像素的输出触点的输入端子、以及一输出端子；以及优选地，
-存储元件，串联连接于每个放大器的输出端子，每个存储元件均被配置成存储与所述多个像素的像素中所产生的光信号成比例的电压。
这样情况构成了良好的设计权衡，因为用更快的像素读出和对噪声的更大鲁棒性抵消了安置用于形成阵列的每个列的像素的不同放大器的附加费用需求，且不会增加像素设计的复杂性。
在所述优选实施方式的一些进一步的实例中，读出电路包括：
-对于二维阵列的第一组列中的每一列，线路地连接于所述列的像素的输出触点的单个放大器；以及
-对于二维阵列的第二组列中的列，线路地连接于所述第二组的列的像素的输出触点的放大器。
该选项有利于提供更大的灵活性来定制在图像传感器的不同区域中所产生的光信号的处理。
仍在所述优选实施方式的其它一些实例中，所述多个像素中的至少一个像素包括嵌入于像素内部的放大器。优选地，所述至少一个像素还包括串联连接于所述放大器的输出端子的存储元件。
像素中放大使得像素对噪声具有更大的鲁棒性、并且允许更快的像素读出，提高了图像传感器的像素阵列的可扩展性，该可扩展性对于要求高带宽和生产量的图像传感器的那些应用来说可能是优选的。
控制单元优选地包括操作地连接于读出电路的互连电路(诸如，例如但不限于多路转换器)，并且所述互连电路包括一个或多个输出节点。互连电路允许通过读出电路而将阵列的任一像素的输出触点与所述一个或多个输出节点中的至少一个输出节点线路地连接。
在一些实施方式中，控制单元包括操作地连接于互连电路的所述一个或多个输出节点中的至少一个输出节点的后置放大级。
可选地，控制单元进一步包括操作地连接在互连电路的所述至少一个输出节点与后置放大级之间的相关性双采样级。相关性双采样级有利地从自像素读出的光信号所检测的值中移除任何不期望的偏差，并且减少读出的噪声分量。
还可选地，控制单元进一步包括操作地连接在后置放大级之后的模拟-数字转换器。以这种方式，图像传感器输出可与数字电路直接地连接，所述数字电路诸如为例如现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、微处理器或微控制器。
在本发明的图像传感器的某些实施方式中，基板由柔性的和/或能伸展的并且优选地透明的材料制成。基板可由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)以及其它可能的材料制成。
以这种方式，基板的机械特性和/或光学特性与像素的光敏元件或基准元件的光敏化层和/或传输层中所使用的材料的机械特性和/或光学特性很好地匹配，使得可获得真正地柔性的和/或能伸展的和/或透明的图像传感器。
可选地，在所述实施方式中，图像传感器进一步包括用于将第一偏压电路、第二偏压电路和读出电路分别与所述多个像素中的像素的第一触点、第二触点和输出触点相连接的导电迹线。另外，所述导电迹线由柔性的和/或能伸展的和/或透明的导电材料制成。
所述导电迹线行进穿过基板的所述第一区域并且来自/到达被定位在基板的位于所述第一区域外部的周边部分上的控制单元，并且将像素的第一触点和第二触点分别与第一偏压电路和第二偏压电路连接，以及将像素的输出触点与读出电路连接。
在一些实例中，所述导电迹线中的至少一些由透明的导电氧化物(诸如铟锡氧化物(ITO))制成，但是在其它实例中，它们可由其它金属性(并且通常是导电的)材料制成，只要该材料具有柔性和/或透明的特性即可。
此外，当所述导电迹线由不是透明的柔性和/或能伸展的材料制成时，所述导电迹线可被充分地变薄，以便具有小于所述像素的光敏元件的操作波长范围的衍射极限的宽度。
本发明的另一方面涉及包括根据本发明的图像传感器的光电装置。
在一些实施方式中，光电装置是能佩戴装置，诸如，例如但不局限于手表、适于被附接于身体的装置、衣服(例如，纺织品)、手镯、眼镜或护目镜。根据本发明的柔性和/或能伸展的图像传感器可有利地贴附于、或嵌入于能佩戴装置中。
在一些可替代的或补充的实施方式中，光电装置包括其上设置有图像传感器的透明面板，所述透明面板诸如为挡风玻璃、窗、或便携装置(例如，智能手机或平板电脑)的屏幕。优选地，所述透明面板由玻璃、塑料、或柔性和/或能伸展的材料制成。
可通过根据本发明的图像传感器获得的透明度和柔性特性使得这些图像传感器一般非常适合用于的消费者器具，尤其是便携式装置和/或移动应用。但是，这些图像传感器还可有利地被集成到医疗装置或尤其是用于汽车应用的装置中。
一种用于制造诸如上面所述的具有非局部读出电路的图像传感器的方法，其中，图像传感器包括多个像素，所述多个像素操作地连接于控制单元，所述控制单元适于选择性地偏压所述像素且将它们读出，所述方法包括以下步骤：
a)在基板的第一区域上提供包括至少一个二维材料层的传输层、以及与所述传输层关联的光敏化层；
b)在控制单元中提供第一偏压电路、第二偏压电路和读出电路，第一偏压电路提供第一偏压电压，第二偏压电路提供与第一偏压电压基本上对称的第二偏压电压，并且读出电路适于读出由撞击在像素上的光所产生的光信号；
c)将分别设置在第一偏压电路和第二偏压电路中的第一选择装置和第二选择装置布置在基板的第一区域的外部，第一选择装置和第二选择装置适于选择性地偏压所述多个像素中的待在给定时间被读出的一个或多个像素；
其中，对于所述多个像素中的每一个像素，该方法进一步包括：
d)在被布置在基板的第一区域上的传输层和光敏化层的选定位置处限定光敏元件，并且将光敏元件线路地连接在被设置于所述像素中的第一触点与输出触点之间；
e)邻近于所述像素的光敏元件布置非光敏基准元件，基准元件具有的暗电导率与光敏元件的暗电导率基本上匹配，并且将基准元件线路地连接在设置于所述像素中的第二触点与所述输出触点之间；
f)将所述像素的第一触点、第二触点、和输出触点分别线路地连接于控制单元的第一偏压电路、第二偏压电路、和读出电路。
附图说明
在下文中，将参考附图描述本发明的一些优选实施方式。提供这些附图仅用于说明的目的，但是并不限制本发明的范围。
图1是根据本发明的示例性图像传感器的示意性框图。
图2a和图2b对应于用于图1的图像传感器的像素的底部平面图和横截面视图，其中，像素的第一触点、第二触点和输出触点设置在像素的光敏元件的传输层和基准元件的传输层下方。
图3a和图3b以底部平面图和横截面视图示出了用于图1的图像传感器的可替代像素布局，其中，像素的第一触点、第二触点和输出触点设置在像素的光敏元件的传输层和基准元件的传输层下方。
图4示出了根据本发明的用于图像传感器的像素的横截面视图，其中，像素的基准元件的传输层的面积比所述像素的光敏元件的传输层的面积更小。
图5对应于用于根据本发明的图像传感器的像素的横截面视图，其中，像素的基准元件设置在所述像素的光敏元件下方。
图6a和图6b是根据本发明的用于图像传感器的像素的底部平面图和横截面视图，其中，像素包括位于光敏元件下方的背栅触点(back-gate contact)。
图7a和图7b示出了根据本发明的用于图像传感器的另一像素的底部平面图和横截面视图，其中，该像素包括位于光敏元件和基准元件中的每一个下方的背栅触点。
图8a示出了根据本发明的图像传感器的一个实施方式的示意性框图，其中，读出电路包括多路转换器，多路转换器跟随有级联于多路转换器的放大器和存储元件。
图8b是根据本发明的图像传感器的另一实施方式的示意性框图，其中，读出电路包括与像素阵列的每一行中的像素一样多的放大器以及与每个放大器的输出节点串联地连接的存储元件。
图9是以横截面视图详细地示出了图1中的区域A的视图，其中，示出了不同导电迹线的交叉部。
图10a至图10g示出了图1的图像传感器的像素的制造过程中的不同步骤。
图11是示例性图像传感器的示意性视图，其中，它的像素被分组成群集(cluster，簇)，每个群集对光谱的不同范围敏感。
图12示出了根据本发明实施方式的光电装置的框图。
图13a和图13b分别是本发明实施例的图像传感器的侧视图和平面图，对于该实施例，聚光结构布置在图像传感器的顶部上。
图14a和图14b分别示出了本发明实施例的图像传感器的侧视图和平面图，对于该实施例，微透镜布置在图像传感器的顶部上。
图15是图表，示出了本发明实施例的图像传感器的三个不同像素的规范光谱响应，对于该实施例，由于图像传感器中包含的像素具有对于不同光谱范围敏感的光敏化层，因而该图像传感器能够进行多光谱响应，包括具有不同尺寸(每个像素)的量子点(QD)，其中曲线涉及短波红外(SWIR)、近红外(NIR)和可见光(VIS)。
图16示出了表示从根据本发明的图像传感器构造的与像素相关的检测器获得的数据的多个曲线，其中光线被传输通过衍射光学系统之后撞击到与像素相关的检测器上。每个曲线对应于当用特定波长的光线(对应于每个曲线中出现最大值的波长)照射组合系统(衍射光学装置耦接至本发明的与像素相关的检测器)时获得的数据。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的具有非局部读出电路的图像传感器的实施方式的示意性框图。图像传感器100包括多个像素101，所述多个像素在基板102的第一区域102a上被布置成M行和N列的二维阵列。特别地，图1对应于图像传感器100的底部平面图，即，如穿过基板102所看到的。
图像传感器100进一步包括控制单元，该控制单元操作地连接于所述多个像素101、并且适于选择性地偏压所述像素并将它们读出。控制单元包括用于提供第一偏压电压VDD的第一偏压电路103a、用于提供基本上与第一偏压电压VDD对称的第二偏压电压VSS的第二偏压电路103b、以及用于读出由撞击于像素101上的光所产生的光信号的读出电路104。控制单元还包括操作地连接于读出电路104的多个输出节点111。
第一偏压电路103a和第二偏压电路103b分别包括选择性地偏压所述多个像素中的待在给定时间被读出的一个或多个像素101的第一选择装置105a和第二选择装置105b。第一选择装置105a和第二选择装置105b布置在基板102的第一区域102a外部，并且如图1的实例中所示的，第一选择装置和第二选择装置包括多个开关(被实施为栅控晶体管)。
所述多个像素中的每个像素101包括光敏元件106以及邻近光敏元件106设置的非光敏基准元件107。此外，每个像素101进一步包括线路地连接于第一偏压电路103a的第一触点108a、线路地连接于第二偏压电路103b的第二触点108b、以及线路地连接于读出电路104的输出触点109。
光敏元件106线路地连接在第一触点108a与输出触点109之间，而基准元件107线路地连接在输出触点109与第二触点108b之间。基准元件107具有的暗电导率与光敏元件106的暗电导率基本上匹配，使得可基本上抑制在曝光周期期间在光敏元件106中所产生的暗电流。
如可在图2b的横截面视图中更具体地看到的，光敏元件106包括与包含至少一个二维材料层的传输层202关联的光敏化层201。同样，基准元件107也包括与包含至少一个二维材料层的传输层204关联的光敏化层203。
在该实例中，光敏元件106的光敏化层201和基准元件107的光敏化层203分别设置(特别地，直接地设置)在传输层202和204上方。但是，在其它实例中，光敏元件的光敏化层或基准元件的光敏化层可设置在其相应的传输层下方。
图像传感器100进一步包括将第一偏压电路103a和第二偏压电路103b分别与像素的第一触点108a和第二触点108b连接的第一导电迹线110a和第二导电迹线110b。在图1的实例中，所述第一导电迹线110a和第二导电迹线110b从基板102的位于第一区域102a外部的最左部分和最右部分的第一偏压电路103a和第二偏压电路103b横跨基板的第一区域102a水平地延伸。
此外，图像传感器100还包括第三导电迹线110c(其在图1中沿竖直方向延伸)，所述第三导电迹线将像素的输出触点109以菊花链式配置的方式与读出电路104连接，该读出电路设置在基板102的位于所述第一区域102a外部的最上部分中。
基板102由诸如PET或PEN的柔性的且透明的材料制成。此外，像素101的第一触点108a、第二触点108b和输出触点109、以及所述导电迹线110a、110b、110c由诸如例如ITO的透明的导电氧化物制成。
在图像传感器100中，第一偏压电路103a、第二偏压电路103b、和读出电路104(它们三者被包含在图像传感器100的控制单元中)被布置在第二区域102b上，该第二区域位于同一基板102的周边上且因此不与布置有所述多个像素101的第一区域102a交叠。但是，在其它实例中，控制单元可布置在图像传感器中所设置的不同基板上。
现在参考图2a和2b，示出了图像传感器100的像素101的布局，其中，光敏元件106在相同水平上邻近基准元件107布置。在该实例中，光敏元件106的传输层202和基准元件107的传输层204是共面的。第一触点108a和输出触点109(位于光敏元件106的相对端处)设置在传输层202下方，而第二触点108b和输出触点109(位于基准元件107的相对端处)设置在传输层204下方。
基准元件107进一步包括设置在光敏化层203和传输层204上方的第一光阻挡层205、以及设置在所述光敏化层203和所述传输层204下方的第二光阻挡层206。具体地，第一光阻挡层205直接设置在光敏化层203上方，而第二光阻挡层206通过绝缘层207而与传输层204隔开。第一光阻挡层205和第二光阻挡层06是包含氧化物的钝化层。
图3a和3b示出了可在图1的图像传感器100中使用的像素布局的可替代实例。为简便起见，与图2a和2b的像素结构相同的元件用相同的参考标号来标注。光敏元件106线路地连接在第一触点308a与输出触点309之间，而基准元件107线路地连接在输出触点309与第二触点308b之间。与图2a和2b中所示的情形相反，现在第一触点308a和输出触点309设置在传输层202上方，更具体地，设置在所述传输层202与光敏化层201之间。同样地，第二触点308b和输出触点309设置在传输层204上方，位于所述传输层204与光敏化层203之间。
传输层202、204通过绝缘层307而与基板102隔开，所述绝缘层为输出触点309在所述传输层202、204之间的区域中的沉积提供了机械支撑。
返回图1，可以看到的是，第一导电迹线110a和第二导电迹线110b在多个位置处与第三导电迹线110c交叉。为了避免不同导电迹线之间的电接触，第三导电迹线110c被升高以在第一导电迹线110a和第二导电迹线110b上方通过。中介的绝缘层进一步防止了迹线之间的电接触。由于此原因，第三导电迹线110c有利地包括穿过中介的绝缘层的竖直部分(例如过孔)以形成与像素的输出触点109的欧姆连接。
图9的横截面视图中示出了这些交叉部中的一个，特别是出现在图1的图像传感器的区域A中的那个交叉部，在该交叉部中，第三导电迹线110c交叉在第二导电迹线110b上方，第三导电迹线和第二导电迹线两者通过中介的绝缘层900而隔开。第三导电迹线110c包括竖直部分901，该竖直部分穿过中介的绝缘层900以到达布置有像素的输出触点109的水平。
可替代地，图像传感器的像素可有利地使第一触点108a和第二触点108b设置在传输层202、204下方，并且使输出触点109设置在传输层202、204上方。在这种情况中，因为第一导电迹线110a和第二导电迹线110b总是位于第三导电迹线110c下方，所以避免了迹线之间的电接触。此外，第三导电迹线110c可能不再需要竖直部分来形成与像素的输出触点109的欧姆连接。然而，在这种情况中，仍然优选的是具有中介的绝缘层，以进一步将第一导电迹线和第二导电迹线与第三导电迹线隔离。
现在参考图4，其以横截面视图示出了根据本发明的适用于图像传感器的像素的另一实例。具体地，像素401布置在基板400上，并且包括以共面的配置邻近地设置的光敏元件402和基准元件403。光敏元件402线路地连接在第一触点410a与输出触点409之间，而基准元件403线路地连接在输出触点409与第二触点410b之间。此外，绝缘层413已经设置在基板400上，位于光敏元件402和基准元件403下方。
光敏元件402包括与传输层406关联的光敏化层405，该传输层设置在光敏化层405下方且包括至少一个二维材料层。同样地，基准元件403也包括与另一传输层408关联的光敏化层407，该另一传输层设置在光敏化层407下方且包括至少一个二维材料层。第一触点410a、第二触点410b、以及输出触点409被夹置在光敏化层405、407与传输层406、408之间。
在该实例中，基准元件的传输层408具有比光敏元件的传输层406更小的面积，由于像素401中的基准元件403的存在而有利地减少日常费用。尽管尺寸更小，但是，传输层408具有与传输层406相同的形状，以便确保基准元件403的暗电导率与光敏元件402的暗电导率基本上匹配。
最后，如在先前的实例中的，基准元件403也包括设置在光敏化层407上方的第一光阻挡层411以及设置在传输层408下方的第二光阻挡层412，从而防止了基准元件403中的入射光的吸收。
在图5中示出了根据本发明的适用于图像传感器的像素的另一实例，其中，像素501设置在基板500上、并且包括布置在光敏元件502下方的基准元件503，从而在减少占据面积的情况下形成非常紧凑的构造。
光敏元件502包括设置在传输层505上方的光敏化层504。在光敏元件502下方，基准元件503也包括设置在另一传输层507上方的光敏化层506。与光敏元件502关联的主绝缘层512布置在光敏元件502与基准元件503之间，以便提供光敏元件与基准元件之间的隔离。
基准元件503包括设置在其光敏化层506上方的第一光阻挡层511以及设置在传输层507下方的第二光阻挡层510，第二光阻挡层通过副绝缘层513而与所述传输层507隔开。
接触光敏元件502和基准元件503的方式与在上文针对之前的实例所描述的方式稍有不同。第一触点508a和第二触点508b在像素的同一侧上(即，在图5中的右手侧上)设置在不同的水平处，并且分别线路地连接于光敏元件502的第一端和基准元件503的第一端。
在像素501的相对侧上(在该图中的左手侧上)，公共输出触点509线路地连接于光敏元件502的第二端和基准元件503的第二端。输出触点509包括竖直部分，该竖直部分从光敏元件的传输层505延伸到基准元件的传输层507。
之前实例的光敏元件的几何形状可通过传输层的图案化而被限定，这允许使光收集面积最大化，或者允许定制用于优化不同性能参数(诸如，例如但不限于噪声、灵敏度、和阻力)的特定纵横比。
图6a至6b和图7a至7b示出了基于已经在图3a至3b的背景下所讨论的实例的两种像素配置，其中，像素附加地包括背栅触点。
在图6a至6b的实例中，像素601包括背栅触点600，该背栅触点设置在光敏元件106下方，位于绝缘层307与基板102之间。在这种情况中，绝缘层307作为与光敏元件106关联的主绝缘层，其与背栅触点600一起允许精细地控制所述光敏元件106的传导率和光敏度。
如图6a中所示，像素601是四端子器件，该器件具有：第一触点308a和第二触点308b，适于分别线路地连接于提供基本上对称的第一偏压电压VDD和第二偏压电压VSS的第一偏压电路和第二偏压电路；输出触点309，适于线路地连接于读出电路以传递在像素处产生的光信号V输出；以及背栅触点600，用于向光敏元件106提供栅电压V栅。
图7a至7b示出了包括背栅触点的像素的另一实例。像素701具有与像素601类似的布局，但是不同之处在于：其不仅包括设置在光敏元件106下方(位于绝缘层307与基板102之间)的背栅触点700、而且还包括设置在基准元件107下方的附加背栅触点702。所述附加背栅触点702布置在绝缘层307与第二光阻挡层206之间。
现在，绝缘层307同时作为与光敏元件106关联的主绝缘层以及与基准元件107关联的副绝缘层。虽然在该特定实施方式中主绝缘层和副绝缘层被实施为同一绝缘层，但是在其它实例中，它们也可以为设置在图像传感器的布局结构中的相同水平或不同水平处的不同层。
所获得的像素701可作为五端子器件操作，在所述五端子器件中，它的第一触点308a和第二触点308b适于分别线路地连接于提供第一偏压电压VDD和第二偏压电压VSS的第一偏压电路和第二偏压电路，并且它的输出触点309适于线路地连接于读出电路以传递在像素701处所产生的光信号V输出。此外，背栅触点700被配置成向光敏元件106提供栅电压V栅1，以便精细地调整例如它的光敏度，而背栅触点702适于向基准元件107提供栅电压V栅2、以调整它的传导率。
虽然在这些实例中像素601、701仅设置有背栅触点，但是在其它实例中，它们可附加地或可替代地包括顶栅(top-gate)触点。
现在参考图8a，其以底部平面图示出了本发明的图像传感器的方框图。图像传感器800包括被布置为二维阵列的多个像素801，所述二维阵列包括多个行，每个行包括相同数量的像素，对齐以限定多个列。所述多个像素801布置在基板(图中未示出)的第一区域802上。
图像传感器800包括操作地连接于所述多个像素801的控制单元，控制单元包括：用于提供第一偏压电压VDD的第一偏压电路803a、用于提供第二偏压电压VSS的第二偏压电路804b、以及读出电路804。特别地，第二偏压电压VSS与第一偏压电压VDD基本上对称。
第一偏压电路803a和第二偏压电路803b分别包括用于选择性地偏压阵列的行的第一行选择开关805a和第二行选择开关805b。
第一行选择开关805a和第二行选择开关805b使可能一次仅顺序地启用阵列中的一行、同时保留其它行禁用，这允许将阵列中的每一列的像素801菊花链式地连接于读出电路804，如可在图8a中可观察到的。这大大地简化了像素801与读出电路804的相互连接，并且减少了图像传感器800在操作期间的功耗。
每个像素801均包括线路地连接在第一触点811a与输出触点812之间的光敏元件809以及线路地连接在输出触点812与第二触点811b之间的基准元件810。像素801的结构与像素101的结构相同，像素101的结构已经在图1中的图像传感器100的背景下在上文中进行了详细描述。
图像传感器800进一步包括第一导电迹线815a和第二导电迹线815b，第一导电迹线和第二导电迹线将第一偏压电路803a和第二偏压电路803b分别与像素的第一触点811a和第二触点811b连接。
读出电路804包括多路转换器806(被示出为多个开关)，该多路转换器包括与每行中所存在的像素801一样多的输入端子813、以及一输出端子814。每个输入端子813通过设置在图像传感器800中的第三导电迹线815c而线路地连接于每行的像素(特别是形成列的像素)的输出触点812。
读出电路进一步包括可操作地串联连接于多路转换器的输出端子814的放大器807以及操作地串联连接于放大器807且配置成存储与所述多个像素的像素801中所产生的光信号成比例的电压的存储元件808。
在读出时，控制单元一次启动仅一个第一行选择开关805a和仅一个第二行选择开关805b，用平衡电压偏压阵列中的仅一行像素801，同时其它行中的像素保持禁用。
以这种方式，仅所选行中的像素801装载多路转换器806的输入端子813。这使得所选行中的一像素801可通过设置在与该像素相同的列中的其它像素的输出触点812而连接于多路转换器804的相应输入端子813，并且第三导电迹线815c连接所述输出触点812。然后，在所选行的每个像素801中所产生的光信号可到达读出电路804，而不会被其它行中的像素干扰。
图8b示出了图像传感器的另一实例，其在拓扑结构方面类似于刚才在图8a的背景下描述的图像传感器，但是该实例具有可替代的读出电路设计。图像传感器850包括多个像素851，所述多个像素被布置在基板的第一区域852上、并且操作地连接于控制单元，所述控制单元包括分别线路地连接于每个像素的第一触点861a和第二触点861b的第一偏压电路853a和第二偏压电路853b、以及线路地连接于每个像素的输出触点862的读出电路854。图像传感器850的像素的结构、以及第一偏压电路和第二偏压电路的结构类似于包括在图像传感器800中且以上已经描述的那些结构。
读出电路854包括与每行中存在的像素851一样多的放大器857，也就是说，读出电路854针对每列包括一放大器857。每个放大器857均具有线路地连接于每行的像素851的输出触点的输入端子863以及一输出端子864。此外，读出电路854还包括存储元件858，该存储元件串联连接于每个放大器的输出端子864并且被配置成用于存储与像素中所产生的光信号成比例的电压。
此外，图像传感器850的控制单元包括互连电路866(图8b的实例中的多路转换器)，该互连电路操作地连接于读出电路854、并且包括输出节点867。互连电路866允许通过读出电路854使得阵列的任何像素的输出触点862与输出节点867线路地连接。
具有上文在图1、2a和2b的背景下所描述的非局部读出电路的图像传感器100可通过包括以下步骤的方法来制造：
a)在基板102的第一区域102a上提供包括至少一个二维材料层的传输层202以及与传输层202关联的光敏化层201；
b)在控制单元中提供第一偏压电路103a、第二偏压电路103b和读出电路104，第一偏压电路103a提供第一偏压电压VDD，第二偏压电路103b提供与第一偏压电压基本上对称的第二偏压电压VSS，并且读出电路104适于读出由撞击在像素101上的光所产生的光信号；
c)将分别位于第一偏压电路103a和第二偏压电路103b中的第一选择装置105a和第二选择装置105b布置在基板的第一区域102a的外部，第一选择装置105a和第二选择装置105b适于选择性地偏压所述多个像素中的待在给定时间被读出的一个或多个像素101；
对于所述多个像素中的每一个像素101，该方法进一步包括：
d)在布置在基板的第一区域102a上的传输层202和光敏化层201的选定位置处限定光敏元件106，并且将光敏元件106线路地连接在所述像素101中设置的第一触点108a与输出触点109之间；
e)接近于所述像素的光敏元件106布置非光敏基准元件107，该基准元件107具有的暗电导率与光敏元件106的暗电导率基本上匹配，并且将基准元件107线路地连接在所述像素101中设置的所述输出触点109与第二触点108b之间；
f)将所述像素101的第一触点108a、第二触点108b、和输出触点109分别线路地连接于控制单元的第一偏压电路103a、第二偏压电路103b、和读出电路104。
图10a至10g示出了图2a至2b中所示的像素101的制造过程中所涉及的不同步骤。
首先，如可在图10a中看到的，例如通过如在传统光蚀刻过程中使用的光掩模，仅在将被像素101的基准元件107所占据的区域中将第二光阻挡层206选择性地沉积在基板102的顶部上。接着(图10b)，在基板上均匀地生长包含氧化物的钝化层，以获得绝缘层207，该绝缘层覆盖第二光阻挡层206，并且使基板准备用于像素101的触点的沉积。
在这阶段，第一触点108和第二触点108b被限定在像素101的相对端处，与第一导电迹线110a和第二导电迹线110b(未在图10c中示出)一起提供第一偏压电压VDD和第二偏压电压VSS。在限定通过其相应的第三迹线110c连接于读出电路104的输出触点109(在图10d示出)之前，必须生长中介的绝缘层(诸如参考图9描述的绝缘层)以避免导电迹线110a、110b、110c交叉的位置处的电接触。
随后，在基板上相继地沉积一个或多个二维材料层。然后，在先前限定的触点108a、108b、109之间，一个接另一个地蚀刻光敏元件106的传输层202和基准元件107的传输层204(参见图10e)。
接着，图10f示出了光敏化材料在所述一个或多个二维材料层的顶部上的沉积，在所述光敏化材料上，在相应的传输层202、204上方图案化光敏元件106的光敏化层201和基准元件107的光敏化层203。
最后，在基准元件的光敏化层203的顶部上选择性地覆设第一光阻挡层205，如图10g中所示的。可选地，在此最后阶段，可在像素101上方设置由宽带隙介电材料制成的保护性包封层。
图3a至3b中所示的像素的制造过程可基本上类似于刚刚讨论的制造过程，不同之处仅在于，将在接触108a、108b、109的限定之前执行所述一个或多个二维材料层的沉积以及传输层202、204的相继刻蚀。
现在参考图11，其示出了能够多光谱反应的图像传感器的实例。图像传感器1100包括被布置为二维阵列且被分组为群集s1-s9的多个像素。每个群集均包括具有光敏元件的至少一个像素，所述光敏元件具有对不同范围的光谱敏感的光敏元件。在该特定的实例中，光敏元件的光敏化层包括量子点，所述量子点的尺寸被逐渐地改变以便针对不同的波长调整它们的光吸收特性。
参照图13a和13b，其中示出了本发明图像传感器的又一实施例，为了增强光敏元件的响应度，聚光结构1300布置在图像传感器的顶部上(位于每个像素上方或其像素中的一些的上方)，尤其是布置在设于光敏元件上方的绝缘层1301的顶部上(对于一未示出的实施例，聚光结构可直接布置在图像传感器的顶部上，它们之间没有绝缘层)。对于该示出的实施例，聚光结构1300是等离子牛眼状金属结构(尽管也可使用可能由金属、电介质、重掺杂的半导体或石墨烯组成的等离子和/或介电结构的替换性的其他几何形状)，该选择是由旨在由图像传感器覆盖的光谱范围决定的。
对于图14a和14b的实施例，通过在每个像素(图中仅示出了一个像素)的顶部上添加所谓的微透镜1400而进一步增强光敏元件的响应度。
为了表现本发明图像传感器的光敏元件的光谱可调谐性，构建了包括一种布置的模型，该布置包括构造成对于不同光谱范围敏感的多个像素，在这种情况下，通过选择构成其相应光敏化层的量子点(尤其是其尺寸)，一个对短波红外(SWIR)敏感，另一个对近红外(NIR)敏感，又一个对可见光(VIS)敏感，所得到的波长在图15中示出，表示为SWIR-QDs、NIR-QDs以及VIS-QDs。
在图16的图表中，示出了来自根据本发明图像传感器形成且由衍射光照射的与像素相关的检测器的数据，所述数据示出了本发明如何测定撞击的光的光谱分析。
图12示出了结合有根据本发明的光检测器阵列的光电装置(特别是无线能佩戴装置)的方框图。
光电装置1200包括被设置在柔性和/或能伸展的基板1201上的图1中描述的图像传感器100，其与模拟-数字转换器1202、控制模块1203和电源模块1204一起操作地连接于图像传感器100的控制单元。
控制模块1203被配置成向图像传感器100的控制单元提供控制信号1205，以便选择性地偏压并读出像素101，并接收与通过读出电路104从所述多个像素101读出的光信号相对应的多个检测值1206。模拟-数字转换器1202线路地连接在图像传感器100与控制模块1203之间，并且适于在将检测值1206传送到嵌入于控制模块1203中的数字电路之前将所述检测值数字化。
电源模块1204被配置成向第一偏压电路103a和第二偏压电路103b提供第一偏压电压VDD和第二偏压电压VSS，并且为读出电路104的有源装置通电。
光电装置1200进一步包括天线1207，天线与控制模块1203中包含的RF-电路操作地接合，并且天线允许光电装置1200通过无线连接标准(例如WiFi、Bluetooth或ZigBee)与设置有天线1209的用户端子1208(例如移动电话)通信。光电装置1200与用户端子1208之间的无线联接有利地用于从用户端子1208远程地对光电装置1200编程，并且被用来传送数据(诸如，例如涉及与从像素101读出的光信号相对应的检测值1206的原始数据和/或被处理过的数据)。
虽然已经针对一些特定实例(包括实施本发明的当前优选的模式)对本发明进行了描述，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如所附权利要求所阐述的本发明的范围的情况中，存在对上述图像传感器及使用所述图像传感器的光电装置的多种改变和变换，所述改变和变换包括用技术上等同的其它元件来替代的特定的元件。

Claims (25)

1.一种具有非局部读出电路的图像传感器(100、800、850、1100)，包括基板(102、400、500)、布置在所述基板的第一区域(102a、802、852)上的多个像素(101、401、501、601、701、801、851)、以及操作地连接至所述多个像素并适于选择性地偏压所述像素且将它们读出的控制单元，所述图像传感器的特征在于，所述控制单元包括：
-第一偏压电路(103a、803a、853a)，用于提供第一偏压电压(VDD)；
-第二偏压电路(103b、803b、853b)，用于提供第二偏压电压(VSS)，所述第二偏压电压关于基准电压与所述第一偏压电压基本对称；以及
-读出电路(104、804、854)，用于读出由照射到所述像素上的光所产生的光信号；
其中，所述第一偏压电路(103a、803a、853a)和所述第二偏压电路(103b、803b、853b)分别包括选择性地偏压所述多个像素中的待在给定时间被读出的一个或多个像素的第一选择装置(105a、805a)和第二选择装置(105b、805b)，所述第一选择装置和所述第二选择装置被布置在所述基板(102、400、500)的所述第一区域(102a、802、852)外部；
并且，所述多个像素中的每一个像素(101、401、501、601、701、801、851)包括：
-光敏元件(106、402、502、809)，包括与传输层(202、406、505)关联的光敏化层(201、405、504)，所述传输层包括至少一个二维材料层；
-非光敏基准元件(107、403、503、810)，邻近于所述光敏元件(106、402、502、809)设置，所述非光敏基准元件(107、403、503、810)的暗电导率与所述光敏元件(106、402、502、809)的暗电导率基本匹配；
-第一触点(108a、308a、410a、508a、811a、861a)，线路地连接至所述第一偏压电路(103a、803a、853a)；
-第二触点(108b、308b、410b、508b、811b、861b)，线路地连接至所述第二偏压电路(103b、803b、853b)；以及
-输出触点(109、309、409、509、812、862)，线路地连接至所述读出电路(104、804、854)；
其中，所述光敏元件(106、402、502、809)线路地连接在所述第一触点(108a、308a、410a、508a、811a、861a)与所述输出触点(109、309、409、509、812、862)之间，并且所述非光敏基准元件(107、403、503、810)线路地连接在所述输出触点(109、309、409、509、812、862)与所述第二触点(108b、308b、410b、508b、811b、861b)之间。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所示读出电路(104、804、854)布置在所述基板(102、400、500)的所述第一区域(102a、802、852)外部。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述多个像素(101、401、501、601、701、801、851)中的所有像素均没有嵌入的读出电子器件。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，基本对称的所述第一偏压电压(VDD)与所述第二偏压电压(VSS)相对于所述基准电压具有相反的符号，并且一个电压的大小与另一个电压的大小相差小于25％、20％、15％、10％、8％、5％、3％或者甚至1％。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一偏压电路(103a、803a、853a)和所述第二偏压电路(103b、803b、853b)是独立的偏压电路，具有分别提供所述第一偏压电压(VDD)和所述第二偏压电压(VSS)的它们自己的独立的控制电子器件。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的至少一个像素的所述非光敏基准元件(107、403、503)包括传输层(204、408、507)，所述传输层包括至少一个二维材料层。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述至少一个像素的所述非光敏基准元件(107、403、503)进一步包括与所述非光敏基准元件(107、403、503)的所述传输层(204、408、507)关联的光敏化层(203、407、506)。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中，所述至少一个像素的所述非光敏基准元件(107、403、503)进一步包括：第一光阻挡层(205、411、511)，设置在所述非光敏基准元件(107、403、503)的所述光敏化层(203、407、506)和所述传输层(204、408、507)上方。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述至少一个像素的所述非光敏基准元件(107、403、503)进一步包括：第二光阻挡层(206、412、510)，设置在所述非光敏基准元件(107、403、503)的所述光敏化层(203、407、506)和所述传输层(204、408、507)下方。
10.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，对于所述至少一个像素(401)，所述非光敏基准元件(403)的所述传输层(408)具有比所述光敏元件(402)的所述传输层(406)更小的面积。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，对于所述至少一个像素(401)，所述非光敏基准元件(403)的所述传输层(408)具有与所述光敏元件(402)的所述传输层(406)相同的形状。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的至少一个像素(501)的所述非光敏基准元件(503)被设置在所述基板(500)与所述像素的所述光敏元件(502)之间。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括与所述多个像素的所述光敏元件(106)关联的一个或多个主绝缘层(307)。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的至少一个像素(601、701)包括：
-背栅触点(600、700)，设置在所述基板(102)与所述至少一个像素(601、701)的所述光敏元件(106)之间，位于主绝缘层(307)与所述基板(102)之间，其中所述主绝缘层(307)被设置在所述光敏元件(106)与所述基板(102)之间；和/或
-顶栅触点，设置在所述至少一个像素的所述光敏元件(106)上方。
15.根据权利要求6所述的图像传感器，进一步包括与所述多个像素的所述非光敏基准元件(107)关联的一个或多个副绝缘层(307)。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的至少一个像素(701)包括：
-背栅触点(702)，设置在所述基板和所述至少一个像素(701)的所述非光敏基准元件(107)之间，位于副绝缘层(307)与所述基板(102)之间，其中所述副绝缘层(307)被设置在所述非光敏基准元件(107)与所述基板(102)之间；和/或
-顶栅触点，设置在所述至少一个像素(102)的所述非光敏基准元件(107)上方。
17.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素被分组成群集(s1-s9)，每个群集均包括一个或多个像素；并且其中，每个群集(s1-s9)的所述一个或多个像素的所述光敏元件(106、402、502、809)的所述光敏化层(201、405、504)对不同范围的光谱敏感。
18.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素(101、801、851)被设置为包括多个行的二维阵列，每个行均包括相同数量的像素；并且其中，所述第一选择装置和所述第二选择装置分别包括用于选择性地偏压所述阵列的行的第一行选择开关(105a、805a)和第二行选择开关(105b、805b)。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述控制单元操作地连接至所述第一行选择开关(105a、805a)和所述第二行选择开关(105b、805b)，并且被配置成通过一次启动一行的所述第一行选择开关和所述第二行选择开关而顺序地读出像素行。
20.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述读出电路(804)包括：
-多路转换器(806)，包括与每行中存在的像素(801)一样多的输入端子(813)、以及一输出端子(814)，所述多路转换器的每个输入端子(813)均线路地连接至每行的一像素的所述输出触点(812)；以及
-放大器(807)，操作地串联连接至所述多路转换器的所述输出端子(814)；并且
其中，所述读出电路(804)可选地包括存储元件(808)，所述存储元件被配置成存储与所述多个像素中的一像素(801)中所产生的光信号成比例的电压，所述存储元件(808)操作地串联连接至所述放大器(807)。
21.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述读出电路(854)包括：与每行中存在的像素(851)一样多的放大器(857)，每个放大器(857)均具有输入端子(863)和输出端子(864)，所述输入端子线路地连接至每行的一像素的所述输出触点(862)。
22.根据权利要求21所述的图像传感器，其中，所述读出电路(854)进一步包括：存储元件(858)，串联连接至每个放大器的所述输出端子(864)，每个存储元件(858)均被配置成存储与所述多个像素中的一像素(851)中所产生的光信号成比例的电压。
23.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述基板(102、400、500)由材料制成，所述材料是如下至少之一：柔性的、能伸展的和透明的。
24.根据权利要求23所述的图像传感器，进一步包括导电迹线(110a、110b、110c；815a、815b、815c)，所述导电迹线将所述第一偏压电路(103a、803a、853a)、所述第二偏压电路(103b、803b、853b)和所述读出电路(104、804、854)分别与所述多个像素中的像素的所述第一触点、第二触点和输出触点(108a、108b、109；811a、811b、812；861a、861b、862)连接；其中，所述导电迹线由导电材料制成，所述导电材料是如下至少之一：柔性的、能伸展的以及透明的。
25.一种光电装置(1200)，包括根据权利要求1至24中任一项所述的图像传感器(100、800、850、1100)，其中，所述光电装置是能佩戴装置，并且/或者其中，所述光电装置包括透明面板，所述图像传感器设置在所述透明面板上。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108200363A (zh) * 2018-01-02 2018-06-22 京东方科技集团股份有限公司 降噪方法、降噪装置和光检测系统
CN108807433A (zh) * 2017-04-28 2018-11-13 天马日本株式会社 图像传感器及传感器装置
CN109451252A (zh) * 2018-10-31 2019-03-08 中国科学院半导体研究所 紧凑型太赫兹波阵列图像传感器芯片
CN109713135A (zh) * 2018-12-28 2019-05-03 浙江清华柔性电子技术研究院 光伏组件的制备方法及智能发电窗户的制备方法
CN112788313A (zh) * 2020-12-25 2021-05-11 RealMe重庆移动通信有限公司 图像传感器、成像系统和终端
TWI816345B (zh) * 2021-03-30 2023-09-21 美商愛列果微系統公司 用以提供電源雜訊抑制的像素系統及方法

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201501342D0 (en) * 2015-01-27 2015-03-11 Univ Lancaster Improvements relating to the authentication of physical entities
US10437329B2 (en) 2015-08-03 2019-10-08 Fundació Institut De Ciències Fotòniques Gaze tracking apparatus
US11353360B2 (en) * 2017-03-22 2022-06-07 Mitsubishi Electric Corporation Electromagnetic wave detector, electromagnetic wave detector array, and electromagnetic wave detection method
CN112687713A (zh) * 2017-09-29 2021-04-20 索尼半导体解决方案公司 光检测器件
CN109782458B (zh) * 2017-11-14 2020-11-06 京东方科技集团股份有限公司 显示面板及其驱动方法、显示装置
US10256306B1 (en) * 2017-11-30 2019-04-09 International Business Machines Corporation Vertically integrated multispectral imaging sensor with graphene as electrode and diffusion barrier
CN108061599B (zh) * 2018-01-03 2020-03-27 京东方科技集团股份有限公司 光检测电路及其检测方法、光检测装置
GB2570487A (en) 2018-01-26 2019-07-31 Emberion Oy Voltage-mode photosensitive device
GB2572192A (en) 2018-03-22 2019-09-25 Emberion Oy Photosensitive device with electric shutter
EP3782360B1 (en) * 2018-04-17 2024-06-05 Obsidian Sensors, Inc. Readout circuits and methods
US10852182B2 (en) 2018-06-29 2020-12-01 Osram Opto Semiconductors Gmbh Ambient light detector, detector array and method
TWM575241U (zh) * 2018-11-28 2019-03-01 奇高電子股份有限公司 環境光感測器
EP3664439A1 (en) * 2018-12-07 2020-06-10 Fundació Institut de Ciències Fotòniques An optoelectronic, a reading-out method, and a uses of the optoelectronic apparatus
JP2022031994A (ja) 2018-12-14 2022-02-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光センサ
KR102632479B1 (ko) * 2019-06-17 2024-01-31 삼성전자주식회사 맥파 센서 및 맥파 센서의 동작 방법
JP7446786B2 (ja) * 2019-11-18 2024-03-11 株式会社ジャパンディスプレイ 検出装置及び表示装置
EP3832724B1 (en) 2019-12-05 2023-07-05 Imec VZW A photo-sensitive device and a method for light detection in a photo-sensitive device
IL273118B (en) 2020-03-05 2022-03-01 Allen Richter Self-adaptive electromagnetic radiation guide
CN111933650B (zh) * 2020-07-22 2022-10-14 华中科技大学 一种硫化钼薄膜成像阵列器件及其制备方法
KR20220077167A (ko) * 2020-11-30 2022-06-09 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치
US20230099288A1 (en) * 2021-09-24 2023-03-30 Apple Inc. Embedded ultrasonic transducers

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101904165A (zh) * 2007-12-21 2010-12-01 福通尼斯荷兰公司 图像传感器阵列，增强的图像传感器阵列，电子轰击图像传感器阵列装置以及用于这些图像传感器阵列的像素传感器元件
CN102281406A (zh) * 2010-06-10 2011-12-14 英属开曼群岛商恒景科技股份有限公司 影像传感器的像素单元和箝位电路
WO2014164909A1 (en) * 2013-03-13 2014-10-09 Pelican Imaging Corporation Array camera architecture implementing quantum film sensors
US20140353471A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Dark current calibration for a photosensitive device

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1098615A (en) * 1975-12-29 1981-03-31 George S. Hopper Ferroelectric imaging system
GB9209734D0 (en) 1992-05-06 1992-06-17 Philips Electronics Uk Ltd An image sensor
CN1181569C (zh) 1998-02-02 2004-12-22 杜邦显示器股份有限公司 有机半导体图像传感器
GB0108309D0 (en) 2001-04-03 2001-05-23 Koninkl Philips Electronics Nv Matrix array devices with flexible substrates
JP4255628B2 (ja) * 2001-06-07 2009-04-15 雅則 奥山 赤外線２次元センサアレイシステム
US7053458B2 (en) * 2002-04-30 2006-05-30 Ess Technology, Inc. Suppressing radiation charges from reaching dark signal sensor
EP1642528B1 (en) * 2004-10-01 2013-02-13 Canon Kabushiki Kaisha Radiographic imaging apparatus and system, method therefor, and program
JP2007114089A (ja) * 2005-10-21 2007-05-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 赤外線センサ
US20070131992A1 (en) * 2005-12-13 2007-06-14 Dialog Semiconductor Gmbh Multiple photosensor pixel image sensor
US20100044676A1 (en) 2008-04-18 2010-02-25 Invisage Technologies, Inc. Photodetectors and Photovoltaics Based on Semiconductor Nanocrystals
US7824949B2 (en) 2007-12-21 2010-11-02 Palo Alto Research Center Incorporated Structure and method for flexible sensor array
US8053782B2 (en) 2009-08-24 2011-11-08 International Business Machines Corporation Single and few-layer graphene based photodetecting devices
EP2317562A1 (en) * 2009-11-03 2011-05-04 Fundacio Privada Institut De Ciencies Fotoniques Multilayer metallic electrodes for optoelectronics
US8233066B2 (en) * 2010-02-18 2012-07-31 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with improved black level calibration
ES2364309B1 (es) * 2010-02-19 2012-08-13 Institut De Ciencies Fotoniques, Fundacio Privada Electrodo transparente basado en la combinación de óxidos, metales y óxidos conductores transparentes.
ES2369953B1 (es) 2011-08-02 2012-10-09 Fundació Institut De Ciències Fotòniques Plataforma optoelectrónica con conductor a base de carbono y puntos cuánticos y fototransistor que comprende una plataforma de este tipo
US9130085B2 (en) 2013-04-05 2015-09-08 Nokia Technologies Oy Transparent photodetector for mobile devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101904165A (zh) * 2007-12-21 2010-12-01 福通尼斯荷兰公司 图像传感器阵列，增强的图像传感器阵列，电子轰击图像传感器阵列装置以及用于这些图像传感器阵列的像素传感器元件
CN102281406A (zh) * 2010-06-10 2011-12-14 英属开曼群岛商恒景科技股份有限公司 影像传感器的像素单元和箝位电路
WO2014164909A1 (en) * 2013-03-13 2014-10-09 Pelican Imaging Corporation Array camera architecture implementing quantum film sensors
US20140353471A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Dark current calibration for a photosensitive device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KEITH M.FINDLATER等: "A CMOS Image Sensor With a Double-Junction Active Pixel", 《IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108807433A (zh) * 2017-04-28 2018-11-13 天马日本株式会社 图像传感器及传感器装置
CN108807433B (zh) * 2017-04-28 2021-12-03 天马微电子股份有限公司 图像传感器及传感器装置
CN108200363A (zh) * 2018-01-02 2018-06-22 京东方科技集团股份有限公司 降噪方法、降噪装置和光检测系统
CN109451252A (zh) * 2018-10-31 2019-03-08 中国科学院半导体研究所 紧凑型太赫兹波阵列图像传感器芯片
CN109713135A (zh) * 2018-12-28 2019-05-03 浙江清华柔性电子技术研究院 光伏组件的制备方法及智能发电窗户的制备方法
CN109713135B (zh) * 2018-12-28 2022-12-06 浙江清华柔性电子技术研究院 光伏组件的制备方法及智能发电窗户的制备方法
CN112788313A (zh) * 2020-12-25 2021-05-11 RealMe重庆移动通信有限公司 图像传感器、成像系统和终端
TWI816345B (zh) * 2021-03-30 2023-09-21 美商愛列果微系統公司 用以提供電源雜訊抑制的像素系統及方法

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