CN107579084B - 具有共用一个滤色器和微透镜的光电二极管的图像传感器 - Google Patents

具有共用一个滤色器和微透镜的光电二极管的图像传感器 Download PDF

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Abstract

提供一种图像传感器。该图像传感器可以包括第一光电二极管和第二光电二极管；第一滤色器，由第一光电二极管和第二光电二极管共用；以及第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，分别耦接至第一光电二极管和第二光电二极管。

Description

具有共用一个滤色器和微透镜的光电二极管的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月4日的申请号为10-2016-0084070的韩国专利申请的优先权，通过引用其整体合并于此。
技术领域
本发明构思的示例性实施例涉及一种具有共用一个滤色器和一个微透镜的多个光电二极管的图像传感器。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换为电信号的器件。近来，随着计算机和通信产业的发展，在诸如数字照相机、便携式摄像机、PCS(个人通信系统)、游戏机、安保摄像机、医用微型摄像机和机器人的各种设备中对于具有改善集成度和性能的图像传感器的需求已经增加。近来，检测光的相位差和执行自动对焦的技术备受关注。
发明内容
本发明构思的示例性实施例提供一种图像传感器，其具有共用一个滤色器和一个微透镜的光电二极管对。
本发明构思的示例性实施例提供一种图像传感器，其包括具有梯形形状或三角形形状的光电二极管。
本发明构思的示例性实施例提供一种图像传感器，其包括具有通过将矩形沿对角线方向分成两部分而形成的形状的光电二极管。
本发明构思的示例性实施例提供一种图像传感器，在该图像传感器中两个或更多个光电二极管共用一个滤色器。
本发明构思的示例性实施例提供一种图像传感器，其包括以梯形形状或三角形形状形成的具有彼此交叉的底边和侧边的光电二极管。
根据本发明构思的实施例，图像传感器可以包括：第一浮置扩散区以及第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管，所述第一浮置扩散区以及所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第三光电二极管和所述第四光电二极管组合形成第一单位像素；第二浮置扩散区以及第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管，所述第二浮置扩散区以及所述第五光电二极管、所述第六光电二极管、所述第七光电二极管和所述第八光电二极管组合形成第二单位像素。第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管围绕并且共用第一浮置扩散区。第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管围绕并且共用第二浮置扩散区。第一光电二极管、第三光电二极管、第五光电二极管和第七光电二极管沿第一方向布置。第一光电二极管和第七光电二极管沿第一方向彼此相邻。第二光电二极管和第四光电二极管沿与第一方向垂直的第二方向布置。第六光电二极管和第八光电二极管沿与第一方向垂直并且与第二方向平行的第三方向布置。第一浮置扩散区和第二浮置扩散区沿第一方向布置。
图像传感器还可以包括：第一滤色器，与第一光电二极管和第七光电二极管重叠并且由所述第一光电二极管和所述第七光电二极管共用；以及第一微透镜，与第一滤色器重叠。
第一滤色器可以具有第一尺寸。第一光电二极管至第八光电二极管中的每个可以具有第二尺寸。第二尺寸可以是第一尺寸的一半。
图像传感器还可以包括：第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门，分别耦接在第一浮置扩散区与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管之间；以及第五传输门、第六传输门、第七传输门和第八传输门，分别耦接在第二浮置扩散区与第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管之间。
图像传感器还可以包括：第一滤色器，与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管重叠；以及第二滤色器，与第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管重叠。
图像传感器还可以包括：第一微透镜，与第一滤色器重叠；以及第二微透镜，与第二滤色器重叠。
根据本发明构思的实施例，图像传感器可以包括：第一光电二极管至第八光电二极管；滤色器，与所述第一光电二极管至第八光电二极管中的两个或更多个光电二极管重叠并且由第一光电二极管至第八光电二极管中的两个或更多个光电二极管共用；以及微透镜，与滤色器重叠。
第一光电二极管和第五光电二极管可以彼此相邻。第一光电二极管和第五光电二极管可以在形状上彼此对称。第一光电二极管和第五光电二极管可以组合形成矩形形状。第二光电二极管和第六光电二极管可以彼此相邻。第二光电二极管和第六光电二极管可以在形状上彼此对称。第二光电二极管和第六光电二极管可以组合形成矩形形状。第三光电二极管和第七光电二极管可以彼此相邻。第三光电二极管和第七光电二极管可以在形状上彼此对称。第三光电二极管和第七光电二极管可以组合形成矩形形状。第四光电二极管和第八光电二极管可以彼此相邻。第四光电二极管和第八光电二极管可以在形状上彼此对称。第四光电二极管和第八光电二极管可以组合形成矩形形状。
第一光电二极管至第八光电二极管中的每个可以以梯形形状或三角形形状形成。
滤色器可以包括第一滤色器、第二滤色器、第三滤色器和第四滤色器。第一滤色器可以与第一光电二极管和第五光电二极管重叠并且由第一光电二极管和第五光电二极管共用。第二滤色器可以与第二光电二极管和第六光电二极管重叠并且由第二光电二极管和第六光电二极管共用。第三滤色器可以与第三光电二极管和第七光电二极管重叠并且由第三光电二极管和第七光电二极管共用。第四滤色器可以与第四光电二极管和第八光电二极管重叠并且由第四光电二极管和第八光电二极管共用。
微透镜可以包括第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜。第一微透镜可以与第一滤色器重叠。第二微透镜可以与第二滤色器重叠。第三微透镜可以与第三滤色器重叠。第四微透镜可以与第四滤色器重叠。
图像传感器还可以包括第一浮置区。第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管可以被布置为围绕第一浮置区。第一滤色器、第二滤色器、第三滤色器和第四滤色器可以被布置为围绕第一浮置区。第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜可以被布置为围绕第一浮置区。
图像传感器还可以包括：第一传输门，耦接在第一浮置区与第一光电二极管之间；第二传输门，耦接在第一浮置区与第二光电二极管之间；第三传输门，耦接在第一浮置区与第三光电二极管之间；以及第四传输门，耦接在第一浮置区与第四光电二极管之间。第一浮置区、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管以及第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门可以组合形成单位像素。
滤色器可以包括第一滤色器、第二滤色器、第三滤色器、第四滤色器和第五滤色器。第一滤色器可以与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管重叠并且由第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管共用。第二滤色器可以与第五光电二极管重叠。第三滤色器可以与第六光电二极管重叠。第四滤色器可以与第七光电二极管重叠。第五滤色器可以与第八光电二极管重叠。
微透镜可以包括第一微透镜、第五微透镜、第六微透镜、第七微透镜和第八微透镜。第一微透镜可以与第一滤色器重叠。第五微透镜可以与第五滤色器重叠。第六微透镜可以与第六滤色器重叠。第七微透镜可以与第七滤色器重叠。第八微透镜可以与第八滤色器重叠。
图像传感器还可以包括：第一浮置扩散区，耦接至第一光电二极管并且还耦接至第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管中的一个或更多个；以及第二浮置扩散区，耦接至第五光电二极管。
根据本发明构思的实施例，图像传感器可以包括：第一光电二极管和第二光电二极管；第一滤色器，由第一光电二极管和第二光电二极管共用；以及第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，分别耦接至第一光电二极管和第二光电二极管。
图像传感器还可以包括第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管。第一光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管可以围绕并耦接至第一浮置扩散区。第一光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管以及第一浮置扩散区可以组合形成第一单位像素。
图像传感器还可以包括：第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管；第六浮置扩散区、第七浮置扩散区和第八浮置扩散区，分别耦接至第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管；第二滤色器，由第三光电二极管和第六光电二极管共用；第三滤色器，由第四光电二极管和第七光电二极管共用；以及第四滤色器，由第五光电二极管和第八光电二极管共用。第一滤色器的一半、第二滤色器的一半、第三滤色器的一半、第四滤色器的一半以及第一浮置扩散区可以组合形成第一单位像素。
图像传感器还可以包括：第一传输门，耦接在第一光电二极管与第一浮置扩散区之间；以及第五传输门，耦接在第五光电二极管与第五浮置扩散区之间。
其他实施例的细节被包括在详细描述和附图中。
附图说明
图1是示意性图示根据实施例的图像传感器的方框图。
图2A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列的布局图。
图2B是图2A中所示的单位像素的放大图。
图2C是示意性图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列的布局图。
图2D是示意性图示根据实施例的图像传感器的滤色器阵列的布局图。
图2E是图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列的光电二极管的颜色的示图。
图2F是示意性图示根据实施例的图像传感器的微透镜阵列的布局图。
图2G是通过重叠根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA、滤色器阵列CFA和微透镜阵列MLA而获得的布局图。
图2H是图2G的一个单位像素的放大布局图。
图3A是根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的放大图。
图3B和图3C分别是沿图3A中所示的线I-I'和线II-II'截取的概念性剖视图。
图4A是示意性图示根据实施例的图像传感器的滤色器阵列的布局图。
图4B是图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列的颜色的示图。
图4C是示意性图示根据实施例的图像传感器的微透镜阵列的布局图。
图4D是通过重叠根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列、滤色器阵列和微透镜阵列而获得的布局图。
图5A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列的布局图。
图5B和图5C分别是沿图5A的线III-III'和线IV-IV'截取的示意性剖视图。
图6A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列的布局图。
图6B是示意性图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列的布局图。
图6C是通过重叠根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列、滤色器阵列和微透镜阵列而获得的布局图。
图7A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列的布局图。
图7B是图7A的单位像素的放大图。
图7C是示意性图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列的布局图。
图7D是示意性图示根据实施例的图像传感器的滤色器阵列的布局图。
图7E是图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列的颜色的示图。
图7F是示意性图示根据实施例的图像传感器的微透镜阵列的布局图。
图8是示意性图示根据实施例的包括具有像素阵列PXA的图像传感器的电子设备的示图。
具体实施方式
以下将参照附图来更详细地描述各种实施例。然而，本发明的构思可以以不同形式实现，并且不应当被解释为局限于本文中所阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明构思的范围充分地传达给本领域技术人员。贯穿本公开，在本发明构思的各种附图和实施例中相同的附图标记指代相同的部分。
贯穿本公开，单位像素可以包括一个浮置扩散区和共用该浮置扩散区的光电二极管。
图1是示意性图示根据实施例的图像传感器800的方框图。参照图1，图像传感器可以包括像素阵列810、相关双采样器(CDS)820、模数转换器(ADC)830、缓冲器840、行驱动器850、时序发生器860、控制寄存器870和斜坡信号发生器880。像素阵列810可以包括以矩阵形状布置的多个单位像素110。
像素阵列810可以包括以矩阵形状布置的多个像素。每个像素可以将光学图像信息转换成电图像信号，以及通过列线将电图像信号传送至CDS 820。多个像素可以耦接至行线中的一个行线和列线中的一个列线。
CDS 820可以对从像素阵列810的像素接收到的电图像信号进行采样。例如，CDS820可以根据从时序发生器860提供的时钟信号来对参考电压电平和接收到的电图像信号的电压电平进行采样，以及将与所述电压电平之间的差值相对应的模拟信号传送至ADC830。ADC 830可以将接收到的模拟信号转换成数字信号，以及将数字信号传送至缓冲器840。
缓冲器840可以锁存接收到的数字信号，以及将锁存的信号顺序地输出至图像信号处理器(未图示)。缓冲器840可以包括用于锁存数字信号的存储器和用于放大数字信号的感测放大器。
行驱动器850可以根据时序发生器860的信号来驱动像素阵列810的多个像素。例如，行驱动器850可以产生用于选择和驱动多个行线之中的一个行线的驱动信号。时序发生器860可以产生用于控制CDS 820、ADC 830、行驱动器850和斜坡信号发生器880的时序信号。
控制寄存器870可以产生用于控制缓冲器840、时序发生器860和斜坡信号发生器880的控制信号。斜坡信号发生器880可以根据时序发生器860的控制来产生用于控制从缓冲器840输出的图像信号的斜坡信号。
图2A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列PXA的布局图，而图2B是图2A的单位像素Px的放大图。参照图2A和图2B，根据本发明构思的实施例的图像传感器的像素阵列PXA可以包括二维布置的多个菱形的单位像素Px。例如，倾斜45度的正方形的单位像素Px可以以这样的方式重复布置，即单位像素的各个侧边沿彼此垂直的两对角线方向D1和D2彼此相邻。
参照图2B，一个单位像素Px可以包括第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4和第一传输门TG1至第四传输门TG4，它们分别二维地布置在设置于中心的一个浮置扩散区FD的左上、右下、右上和左下。浮置扩散区FD可以具有诸如正方形的多边形形状或圆形形状。
第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4和第一传输门TG1至第四传输门TG4可以具有等腰梯形形状或直角三角形形状或等腰三角形形状。例如，第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4中的每个可以具有沿彼此垂直的两个对角线方向D1和D2中的一个延伸的底边以及沿垂直方向或水平方向延伸的两个侧边。光电二极管可以以等腰梯形的短边或三角形的顶点面对浮置扩散区FD的方式来设置。第一传输门TG1至第四传输门TG4可以分别与光电二极管PD1至PD4的部分以及浮置扩散区FD的部分重叠。因此，传输门TG1至TG4可以将经由光电二极管PD1至PD4产生的电荷传送至浮置扩散区FD。
图2C是示意性图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的布局图。参照图2C，根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA可以包括沿彼此垂直的两个对角线方向D1和D2重复布置的多个单位光电二极管对PDp。每个单位光电二极管对PDp可以包括以等腰梯形形状形成的使得其底边彼此相对的第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb。
第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb中的每个可以具有通过将一个矩形沿第一对角线方向D1或第二对角线方向D2分成两部分而形成的形状。一个单位光电二极管对PDp或形成对的第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb可以具有接近正方形的形状或正方形形状。一个单位光电二极管对PDp可以被包括在彼此相邻的不同的单位像素Px中。
图2D是示意性图示根据实施例的图像传感器的滤色器阵列CFA的布局图。参照图2D，根据实施例的图像传感器的滤色器阵列CFA可以包括以岛状格子形状或棋盘形状布置的矩形滤色器CF。例如，滤色器阵列CFA可以包括绿色滤色器G、蓝色滤色器B和红色滤色器R。绿色滤色器G可以沿两个对角线方向D1和D2依次布置。绿色滤色器G可以沿垂直方向或水平方向交替布置。蓝色滤色器B和红色滤色器R可以沿两个对角线方向D1和D2交替布置。蓝色滤色器B和红色滤色器R可以沿垂直方向或水平方向交替布置。即，绿色滤色器G与蓝色滤色器B和红色滤色器R之间选中的任意一种滤色器可以沿相同相同行或相同相同列交替布置。
图2E是图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的光电二极管的颜色G、B和R的示图。具体地，图2E图示了光电二极管PD的颜色，这些颜色通过重叠滤色器阵列CFA和光电二极管阵列PDA而获得。参照图2E，根据与第一和第二光电二极管PD重叠的滤色器阵列CFA，第一和第二光电二极管PD可以具有相同的颜色。参照图2C和图2D，底边彼此相对的第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb可以与相同相同的滤色器CF重叠。即，第一单位光电二极管PDa和第二单位光电二极管PDb可以共用一个滤色器CF。
图2F是示意性图示根据实施例的图像传感器的微透镜阵列MLA的布局图。参照图2F，根据实施例的图像传感器的微透镜阵列MLA可以具有与参照图2D描述的滤色器阵列CFA相同的二维布置。即，一个微透镜ML可以与一个滤色器CF重叠。因此，参照图2E，两个光电二极管PDa和PDb可以重叠并且共用一个微透镜ML。
图2G是根据本发明构思的通过重叠图像传感器的光电二极管阵列PDA、滤色器阵列CFA和微透镜阵列MLA而获得的布局图，而图2H是图2G中的区域A的放大布局图，区域A包括一个单位像素PX。如上所述，滤色器阵列CFA的滤色器CF可以与微透镜阵列MLA的微透镜ML精确重叠。一个光电二极管对PDp、一个滤色器CF和一个微透镜ML可以彼此重叠。即，两个光电二极管PD可以与一个滤色器CF和一个微透镜ML重叠。每个光电二极管PD可以具有通过将矩形沿第一方向D1或第二方向D2分成两部分而形成的形状。
因此，一个单位像素Px可以包括四个光电二极管对PDp中的每个中的一个光电二极管，四个滤色器CF中的每个的1/2区域和四个微透镜ML中的每个的1/2区域。参照图2B，浮置扩散区FD可以布置在四个光电二极管对PDp、四个滤色器CF和四个微透镜ML的中心。因此，围绕一个浮置扩散区FD径向布置的四个光电二极管对PDp中更接近浮置扩散区FD的光电二极管、四个滤色器CF中更接近浮置扩散区FD的1/2区域以及四个微透镜ML中更接近浮置扩散区FD的1/2区域可以形成一个单位像素Px。
图3A是根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的放大图，而图3B和图3C是沿图3A中所示的线I-I'和线II-II'截取的概念性剖视图。参照图3A至图3C，根据实施例的图像传感器可以包括多个光电二极管PD_Ga、PD_Gb、PD_Ra、PD_Rb、PD_Ba和PD_Bb，平坦化层10，滤色器CF，微透镜ML，金属线层20和层间电介质层30。多个光电二极管PD_Ga、PD_Gb、PD_Ra、PD_Rb、PD_Ba和PD_Bb可以形成在衬底Sub中。平坦化层10、滤色器CF和微透镜ML可以形成在衬底Sub的顶表面上。金属线层20和层间电介质层30可以形成在衬底Sub的底表面上。平坦化层10和层间电介质层30可以包括氧化硅、氮化硅或其组合。
在多个光电二极管PD_Ga、PD_Gb、PD_Ra、PD_Rb、PD_Ba和PD_Bb之中，具有相同颜色的两个光电二极管可以共用滤色器CF之中的具有相同颜色的一个滤色器CF。具体地，第一绿色光电二极管PD_Ga和第二绿色光电二极管PD_Gb可以共用一个绿色滤色器CF_G，第一红色光电二极管PD_Ra和第二红色光电二极管PD_Rb可以共用一个红色滤色器CF_R，以及第一蓝色光电二极管PD_Ba和第二蓝色光电二极管PD_Bb可以共用一个蓝色滤色器CF_B。由于光电二极管PD_Ga、PD_Gb、PD_Ra、PD_Rb、PD_Ba和PD_Bb彼此光电分离，因此每个光电二极管都可以独立地操作。
根据实施例的图像传感器的所有单位像素Px可以用作相位差检测像素。传统的相位差检测像素可以遮挡入射在一个微透镜、一个滤色器和一个光电二极管上的光的一部分，并且检测光的相位差。然而，由于根据实施例的图像传感器的单位像素Px的每个光电二极管被分为两部分，因此单位像素Px可以在不遮挡入射光的一部分的情况下检测光的相位差。
在传统的图像传感器中，相位差检测像素包括遮光的掩模图案(mask pattern)。因此，相位差检测像素可能不能正常地检测光学图像，并且被识别为缺陷点。然而，由于根据实施例的图像传感器不遮挡入射光，因此所有的单位像素Px可以检测光的相位差，并且正常地检测光学图像。
图4A示意性图示根据实施例的图像传感器的滤色器阵列CFA的布局图。参照图4A，根据实施例的图像传感器的滤色器阵列CFA可以包括二维布置的多个菱形的滤色器G、R和B。例如，倾斜45度的正方形滤色器CF_G、CF_B和CF_R可以沿彼此垂直的两个对角线方向D1和D2重复布置。沿对角线方向D1和D2，绿色滤色器G和红色滤色器R可以交替布置，或者绿色滤色器G和蓝色滤色器B可以交替布置。
进一步参照图2A和图2B，滤色器G、R和B中的每个可以分别覆盖单位像素Px中的一个。具体地，图2D中所示的滤色器阵列CFA中的滤色器G、R和B中的每个可以分别覆盖光电二极管对PDa或PDb中的一对，而图4A中所示的滤色器阵列CFA中的滤色器G、R和B中的每个可以分别覆盖单位像素Px中的一个。
图4B是图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的光电二极管的颜色G、R和B的示图。具体地，图4B图示了光电二极管PD的颜色G、R和B，这些颜色通过重叠滤色器阵列CFA和光电二极管阵列PDA而获得。参照图4A和图4B，每个光电二极管PD可以检测到与该光电二极管PD重叠的滤色器阵列CFA的颜色G、R或B相同的颜色。进一步参照图2B，在一个单位像素Px中共用一个浮置扩散区FD的四个光电二极管PD1至PD4可以具有相同的颜色。
图4C是示意性图示根据实施例的图像传感器的微透镜阵列MLA的布局图。参照图4C，根据实施例的图像传感器的微透镜阵列MLA可以具有与参照图4A所述的滤色器阵列CFA相同的二维布置。即，一个微透镜ML可以与一个滤色器CF重叠。因此，参照图4B，在一个单位像素Px中的四个分开的光电二极管PD可以重叠并且共用一个滤色器CF和一个微透镜ML。
图4D是通过重叠根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA、滤色器阵列CFA和微透镜阵列MLA而获得的布局图。参照图4D，根据实施例的图像传感器的单位像素Px可以包括每对光电二极管对PDp中的一个光电二极管、一个滤色器CF和一个微透镜ML。
图5A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列PXA的布局图，而图5B和图5C分别是沿图5A的线III-III'和线IV-IV'截取的示意性剖视图。参照图5A和5B，一个浮置扩散区FD可以被具有相同颜色的四个光电二极管PD包围。因此，浮置扩散区FD可以通过传输门TG从具有相同颜色的光电二极管PD接收电荷。即，一个浮置扩散区FD可以从四个光电二极管PD接收电荷，且该四个光电二极管PD可以具有相同的颜色。
根据实施例的图像传感器可以选择性地使四个传输门TG导通，分析和比较适当量的电荷，以及检测四个光电二极管PD之间的光的相位差。即，虽然光的强度低，但是图像传感器可以精细地检测光的相位差。
图6A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列PXA的布局图。参照图6A，根据实施例的图像传感器的像素阵列PXA可以包括沿对角线方向D二维布置的光电二极管对PDp、传输门对TGa和TGb以及浮置扩散区FD。参照图2D，光电二极管对PDp可以共用一个滤色器。第一光电二极管PDa可以与一个滤色器的左上部分重叠，而第二光电二极管PDb可以与该滤色器的右下部分重叠。
第一光电二极管PDa可以检测左半部分和上半部分中的入射光的相位，而第二光电二极管PDb可以检测右半部分和下半部分中的入射光的相位。即，水平方向和垂直方向之间的光的相位差可以仅由一个光电二极管对PDp来检测。光电二极管对PDp可以与两个浮置扩散区FD部分重叠。例如，第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb可以连接至彼此不同的浮置扩散区FD。因此，用于传送第一光电二极管PDa的电荷的第一传输门TGa和用于传输第二光电二极管PDb的电荷的第二传输门TGb可以单独地使用彼此不同的浮置扩散区FD。具体地，左上处的第一传输门TGa可以将在第一光电二极管PDa中产生的电荷传送至左上处的浮置扩散区FD，而右下处的第二传输门TGb可以将在第二光电二极管PDb中产生的电荷传送至右下处的浮置扩散区FD。
图6B是示意性图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的布局图。参照图6B，根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA可以包括沿一个对角线方向D重复布置的多个单位光电二极管对PDp。每个单位光电二极管对PDp可以包括以等腰梯形形状形成使得其底边彼此相对的第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb。每个单位光电二极管对PDp可以具有正方形形状。第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb中的每个可以具有通过将一个单位光电二极管对PDp沿对角线方向D分成两部分而形成的形状。第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb可以具有三角形形状。由于第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb共用一个滤色器，因此第一光电二极管PDa和第二光电二极管PDb可以具有相同的颜色。
图6C是通过重叠根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA、滤色器阵列CFA和微透镜阵列MLA而获得的布局图。参照图6C，具有两个单位光电二极管PDa和PDb以及一个滤色器CF的一个光电二极管对PDp与一个微透镜ML重叠。
图7A是示意性图示根据实施例的图像传感器的像素阵列PXA的布局图，而图7B是图7A的单位像素Px的放大图。参照图7A和图7B，根据实施例的图像传感器的像素阵列PXA可以包括二维布置的多个矩形单位像素Px。例如，正方形单位像素Px可以沿彼此垂直的垂直线和水平线重复布置。
参照图7B，一个单位像素Px可以包括第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4和第一传输门TG1至第四传输门TG4，它们二维布置在设置于中心的一个浮置扩散区FD的上侧、下侧、右侧和左侧。浮置扩散区FD可以具有诸如正方形的多边形状或圆形形状。第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4和第一传输门TG1至第四传输门TG4可以具有等腰梯形形状或直角三角形形状或等腰三角形形状。例如，第一光电二极管PD1至第四光电二极管PD4可以具有平行于水平线或垂直线的底边以及平行于对角线(关于水平线和垂直线以45度延伸)的侧边。等腰梯形的短边或三角形的顶点可以面对浮置扩散区FD。第一传输门TG1至第四传输门TG4可以分别与光电二极管PD1至PD4的部分以及浮置扩散区FD的部分重叠。
图7C是示意性图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的布局图。参照图7C，根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA可以包括沿水平线或垂直线重复布置的多个菱形的单位光电二极管对PDv和PDh。单位光电二极管对PDv和PDh可以包括以等腰梯形形状形成使得其底边彼此相对的两个单位光电二极管PDv1和PDv2或PDh1和PDh2。单位光电二极管PDv1、PDv2、PDh1和PDh2中的每个可以具有通过将一个单位光电二极管对PDv或PDh沿水平线或垂直线分成两部分而形成的形状。
图7D是示意性图示根据实施例的图像传感器的滤色器阵列CFA的布局图。参照图7D，根据实施例的图像传感器的滤色器阵列CFA可以包括沿与±45度相对应的对角线方向布置的菱形滤色器CF，例如，绿色滤色器G、蓝色滤色器B和红色滤色器R。例如，绿色滤色器G可以沿水平线和垂直线连续布置，而蓝色滤色器B和红色滤色器R可以沿水平线和垂直线交替布置。蓝色滤色器B和红色滤色器R可以沿垂直方向或水平方向交替布置。沿对角线方向，绿色滤色器G和蓝色滤色器B可以交替布置，且绿色滤色器G和红色滤色器R可以交替布置。即，沿对角线方向，一对绿色滤色器G和蓝色滤色器B或一对绿色滤色器G和红色滤色器R可以连续布置。可替代地，绿色滤色器G、蓝色滤色器B和红色滤色器R可以沿垂直方向或水平方向以之字形布置。
图7E是图示根据实施例的图像传感器的光电二极管阵列PDA的光电二极管的颜色G、B和R的示图。具体地，图7E图示了光电二极管PD的颜色，这些颜色通过重叠滤色器阵列CFA和光电二极管阵列PDA而获得。参照图7E，根据与光电二极管PD重叠的滤色器阵列CFA，每个光电二极管PD可以具有相同的颜色。参照图7C和图7D，单位光电二极管对PDv和PDh中的每个，包括底边彼此相对的光电二极管，可以与一个滤色器CF重叠。
图7F是示意性图示根据实施例的图像传感器的微透镜阵列MLA的布局图。参照图7F，根据实施例的图像传感器的微透镜阵列MLA可以具有与参照图7D所述的滤色器阵列CFA垂直重叠的二维布置。即，一个微透镜ML可以与一个滤色器CF重叠。因此，参照图7E，一个单位光电二极管对PDv或PDh可以重叠并且共用一个微透镜ML。
图8是示意性图示包括根据各种实施例的具有像素阵列PXA的一个或更多个图像传感器的电子设备的示图。参照图8，包括根据各种实施例的具有像素阵列PXA的一个或更多个图像传感器的电子设备可以包括能够拍摄静态图像或动态图像的照相机。电子设备可以包括光学系统或光学透镜910、快门单元911、图像传感器900、用于控制/驱动快门单元911的驱动单元913以及信号处理单元912。
光学系统910可以将图像光即入射光从物体引导至图像传感器900的像素阵列100(参照图1)。光学系统910可以包括多个光学透镜。快门单元911可以控制图像传感器900的光照时段和遮光时段。驱动单元913可以控制图像传感器900的传输操作和快门单元911的快门操作。信号处理单元912可以对从图像传感器900输出的信号执行各种类型的信号处理。处理后的图像信号Dout可以被储存在诸如存储器的储存介质中或者被输出至监控器等。
根据各种实施例，由于图像传感器具有沿对角线方向分开的光电二极管，因此该图像传感器可以有效地感测光的相位差。例如，可以通过一个单位像素来感测沿垂直方向的光的相位差以及沿水平方向的光的相位差。
此外，由于图像传感器中所有的像素和光电二极管都可以感测光的相位差，因此图像传感器的操作速度和准确性以及照相机的自动对焦功能可以得到改善。
虽然已经出于说明的目的描述了各种实施例，但是本领域技术人员来说将明显的是，可以在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，做出各种变化和变型。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
第一浮置扩散区以及第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管，所述第一浮置扩散区以及所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第三光电二极管和所述第四光电二极管组合形成第一单位像素；
第二浮置扩散区以及第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管，所述第二浮置扩散区以及所述第五光电二极管、所述第六光电二极管、所述第七光电二极管和所述第八光电二极管组合形成第二单位像素，
其中，第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管围绕并且共用第一浮置扩散区，
其中，第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管围绕并且共用第二浮置扩散区，
其中，第一光电二极管、第三光电二极管、第五光电二极管和第七光电二极管沿第一方向布置，
其中，第一光电二极管和第七光电二极管沿第一方向彼此相邻，
其中，第二光电二极管和第四光电二极管沿与第一方向垂直的第二方向布置，
其中，第六光电二极管和第八光电二极管沿与第一方向垂直且与第二方向平行的第三方向布置，以及
其中，第一浮置扩散区和第二浮置扩散区沿第一方向布置，
其中，第一光电二极管至第八光电二极管具有等腰梯形、直角三角形或等腰三角形形状中的一种，
其中，第一光电二极管至第八光电二极管中的每个具有沿两个对角线方向之一延伸的底边以及沿垂直和水平方向延伸的两个侧边，以及
其中，第一光电二极管的底边和第七光电二极管的底边彼此相邻。
2.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一滤色器，与第一光电二极管和第七光电二极管重叠并且由所述第一光电二极管和所述第七光电二极管共用；以及
第一微透镜，与第一滤色器重叠。
3.如权利要求2所述的图像传感器，
其中，第一滤色器具有第一尺寸，
其中，第一光电二极管至第八光电二极管中的每个具有第二尺寸，以及
其中，第二尺寸是第一尺寸的一半。
4.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门，所述第一传输门、所述第二传输门、所述第三传输门和所述第四传输门分别耦接在第一浮置扩散区与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管之间，以及
第五传输门、第六传输门、第七传输门和第八传输门，所述第五传输门、所述第六传输门、所述第七传输门和所述第八传输门分别耦接在第二浮置扩散区与第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管之间。
5.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一滤色器，与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管重叠；以及
第二滤色器，与第五光电二极管、第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管重叠。
6.如权利要求5所述的图像传感器，还包括：
第一微透镜，与第一滤色器重叠；以及
第二微透镜，与第二滤色器重叠。
7.一种图像传感器，包括：
第一光电二极管至第八光电二极管；
滤色器，与所述第一光电二极管至第八光电二极管中的两个或更多个光电二极管重叠并且由所述第一光电二极管至第八光电二极管中的所述两个或更多个光电二极管共用；以及
微透镜，与所述滤色器重叠，
其中，第一光电二极管至第八光电二极管中的每个具有等腰梯形、直角三角形或等腰三角形形状中的一个，
其中，第一光电二极管和第五光电二极管彼此相邻，在形状上彼此对称，以及组合形成矩形形状，
其中，第二光电二极管和第六光电二极管彼此相邻，在形状上彼此对称，以及组合形成矩形形状，
其中，第三光电二极管和第七光电二极管彼此相邻，在形状上彼此对称，以及组合形成矩形形状，以及
其中，第四光电二极管和第八光电二极管彼此相邻，在形状上彼此对称，以及组合形成矩形形状。
8.如权利要求7所述的图像传感器，
其中，第一光电二极管至第八光电二极管中的每个具有沿两个对角线方向之一延伸的底边和沿垂直和水平方向延伸的两个侧边，以及
其中，第一光电二极管的底边和第五光电二极管的底边彼此相邻。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其中，第一光电二极管至第八光电二极管中的每个以梯形形状或三角形形状形成。
10.如权利要求9所述的图像传感器，
其中，滤色器包括第一滤色器、第二滤色器、第三滤色器和第四滤色器，
其中，第一滤色器与第一光电二极管和第五光电二极管重叠并且由所述第一光电二极管和所述第五光电二极管共用，
其中，第二滤色器与第二光电二极管和第六光电二极管重叠并且由所述第二光电二极管和所述第六光电二极管共用，
其中，第三滤色器与第三光电二极管和第七光电二极管重叠并且由所述第三光电二极管和所述第七光电二极管共用，以及
其中，第四滤色器与第四光电二极管和第八光电二极管重叠并且由所述第四光电二极管和所述第八光电二极管共用。
11.如权利要求10所述的图像传感器，
其中，微透镜包括第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜，
其中，第一微透镜与第一滤色器重叠，
其中，第二微透镜与第二滤色器重叠，
其中，第三微透镜与第三滤色器重叠，以及
其中，第四微透镜与第四滤色器重叠。
12.如权利要求11所述的图像传感器，还包括：
第一浮置区，以及
其中，第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管被布置为围绕所述第一浮置区，
其中，第一滤色器、第二滤色器、第三滤色器和第四滤色器被布置为围绕所述第一浮置区，以及
其中，第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜和第四微透镜被布置为围绕所述第一浮置区。
13.如权利要求11所述的图像传感器，还包括：
第一传输门，耦接在第一浮置区与第一光电二极管之间；
第二传输门，耦接在第一浮置区与第二光电二极管之间；
第三传输门，耦接在第一浮置区与第三光电二极管之间；以及
第四传输门，耦接在第一浮置区与第四光电二极管之间，
其中，(i)第一浮置区，(ii)第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管，以及(iii)第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门组合形成单位像素。
14.如权利要求9所述的图像传感器，
其中，滤色器包括第一滤色器、第二滤色器、第三滤色器、第四滤色器和第五滤色器，
其中，第一滤色器与第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管重叠并且由所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第三光电二极管和所述第四光电二极管共用，
其中，第二滤色器与第五光电二极管重叠，
其中，第三滤色器与第六光电二极管重叠，
其中，第四滤色器与第七光电二极管重叠，以及
其中，第五滤色器与第八光电二极管重叠。
15.如权利要求14所述的图像传感器，
其中，微透镜包括第一微透镜、第五微透镜、第六微透镜、第七微透镜和第八微透镜，
其中，第一微透镜与第一滤色器重叠，
其中，第五微透镜与第五滤色器重叠，
其中，第六微透镜与第六滤色器重叠，
其中，第七微透镜与第七滤色器重叠，以及
其中，第八微透镜与第八滤色器重叠。
16.如权利要求8所述的图像传感器，还包括：
第一浮置扩散区，耦接至第一光电二极管并且还耦接至第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管中的一个或更多个；以及
第二浮置扩散区，耦接至第五光电二极管。
17.一种图像传感器，包括：
第一光电二极管和第二光电二极管，
第一滤色器，所述第一滤色器由第一光电二极管和第二光电二极管共用，以及
第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，所述第一浮置扩散区和所述第二浮置扩散区分别耦接至第一光电二极管和第二光电二极管，
其中，第一光电二极管和第二光电二极管中的每个具有等腰梯形、直角三角形或等腰三角形形状中的一个，
其中，第一光电二极管和第二光电二极管中的每个具有沿两个对角线方向之一延伸的底边和沿垂直和水平方向延伸的两个侧边，以及
其中，第一光电二极管的底边和第二光电二极管的底边彼此相邻，在形状上彼此对称，以及组合形成矩形。
18.如权利要求17所述的图像传感器，还包括：
第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管，
其中，第一光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管围绕并耦接至第一浮置扩散区，以及
其中，(i)第一光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管以及(ii)第一浮置扩散区组合形成第一单位像素。
19.如权利要求18所述的图像传感器，还包括：
第六光电二极管、第七光电二极管和第八光电二极管；
第六浮置扩散区、第七浮置扩散区和第八浮置扩散区，所述第六浮置扩散区、所述第七浮置扩散区和所述第八浮置扩散区分别耦接至所述第六光电二极管、所述第七光电二极管和所述第八光电二极管；
第二滤色器，由第三光电二极管和第六光电二极管共用；
第三滤色器，由第四光电二极管和第七光电二极管共用；以及
第四滤色器，由第五光电二极管和第八光电二极管共用，
其中，(i)第一滤色器的一半，(ii)第二滤色器的一半，(iii)第三滤色器的一半，(iv)第四滤色器的一半，以及(vi)第一浮置扩散区组合形成第一单位像素。
20.如权利要求17所述的图像传感器，还包括：
第一传输门，耦接在第一光电二极管与第一浮置扩散区之间；以及
第五传输门，耦接在第五光电二极管与第五浮置扩散区之间。
CN201710311914.3A 2016-07-04 2017-05-05 具有共用一个滤色器和微透镜的光电二极管的图像传感器 Active CN107579084B (zh)

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