CN108696701A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器包括：第一光电元件；第一光电元件下方的第二光电元件；以及第二光电元件下方包括第一半导体器件和第二半导体器件的像素电路。第一半导体器件连接到第一光电元件中的至少一个。第二半导体器件连接到第二光电元件中的至少一个。第一半导体器件连接到不同的第一光电元件并且在多个像素区域中的一个像素区域中。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
将2017年4月12日提交的题为“图像传感器”的韩国专利申请No.10-2017-0047514的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本文描述的一个或多个实施例涉及图像传感器。
背景技术
基于半导体的图像传感器检测光并产生对应的电信号。一种类型的图像传感器包括具有多个像素的像素阵列、驱动像素阵列的电路等。图像传感器可用于智能电话、平板PC、膝上型计算机、电视机和用于捕获图像或运动图片的相机模块。
发明内容
根据一个或多个实施例，一种图像传感器包括：多个像素区域、多个第一光电元件、所述多个第一光电元件下方的多个第二光电元件；以及像素电路，包括所述多个第二光电元件下方的第一半导体器件和第二半导体器件，所述第一半导体器件连接到所述多个第一光电元件中的至少一个，并且所述第二半导体器件连接到所述多个第二光电元件中的至少一个，其中所述第一半导体器件连接到所述多个第一光电元件中的不同的第一光电元件并且位于所述多个像素区域中的一个像素区域中。
根据一个或多个其他实施例，一种图像传感器包括：包括多个像素区域的半导体衬底；所述半导体衬底上的多个第一光电元件；所述半导体衬底中的多个第二光电元件；像素电路，位于所述多个第二光电元件下方并且包括与所述多个第一光电元件中的至少一个电连接的第一半导体器件和与所述多个第二光电元件中的至少一个电连接的第二半导体器件；以及过孔电极，穿透所述半导体衬底并且将所述第一半导体器件连接到所述多个第一光电元件中的至少一个，其中所述第一半导体器件的与所述过孔电极中的一个相连的部分位于所述多个像素区域中的不同像素区域中。
根据一个或多个其他实施例，一种图像传感器，所述图像传感器包括：彼此相邻的第一像素组至第三像素组，其中所述第一像素组至所述第三像素组中的每一个包括多个第一光电元件、所述多个第一光电元件下方的多个第二光电元件以及像素电路，所述像素电路包括所述多个第二光电元件下方的第一半导体器件和第二半导体器件，并且其中所述第一像素组中的所述第一半导体器件中的至少一个连接到所述第二像素组中的所述多个第一光电元件中的至少一个，并且所述第一像素组中的第二半导体器件中的至少一个连接到所述第三像素组中的多个第二光电元件中的至少一个。
附图说明
通过参考附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1示出了图像处理装置的实施例；
图2A和图2B示出了像素电路的实施例；
图3A至图3C示出了像素电路的其他实施例；
图4示出了图像传感器中的连接结构的实施例；
图5示出了半导体器件的布局实施例；
图6示出了半导体器件的另一布局实施例；
图7示出了图像传感器的横截面实施例；
图8示出了图像传感器的另一横截面实施例；以及
图9示出了电子设备的实施例。
具体实施方式
图1示出了可以包括图像传感器10和图像处理器20的图像处理装置1的实施例。图像传感器10可以包括像素阵列11、行驱动器12、列驱动器13、时序控制器14和读出电路15。
图像传感器10可以根据来自图像处理器20的控制命令进行操作，可以将从对象30传输的光转换成电信号，并且可以将电信号输出给图像处理器20。图像传感器10中的像素阵列11可以包括多个像素PX。多个像素PX可以包括接收光并产生对应的电荷的光电元件。光电元件可以是例如光电二极管(PD)。在示例实施例中，多个像素PX中的每一个可以包括两个或更多个光电元件，并且一个像素PX中的两个或更多个光电元件可以接收不同颜色的光并且产生对应的电荷。
多个像素PX中的每一个可以包括从由光电元件产生的电荷产生电信号的像素电路。在示例实施例中，像素电路可以包括转移晶体管、驱动晶体管、选择晶体管和复位晶体管。例如，当一个像素PX包括两个或更多个光电元件时，每个像素PX可以包括像素电流以分别处理由两个或更多个光电元件产生的电荷。例如，当一个像素PX具有两个或更多个光电元件时，像素电路可以包括例如转移晶体管、驱动晶体管、选择晶体管和复位晶体管的至少两个或更多个部分。
在示例实施例中，一个像素PX可以包括第一光电元件和第二光电元件。第一光电元件和第二光电元件可以分别接收不同波段的光以产生对应的电荷。在示例实施例中，第一光电元件可以是有机光电二极管并且可以从与绿光相对应的波段中的光产生电荷。第二光电元件可以是半导体光电二极管并且可以从与蓝光或红光相对应的波段中的光产生电荷。在示例实施例中，第一光电元件可以例如基于光的行进方向在第二光电元件接收光之前接收光。
在示例实施例中，一个像素PX可以包括处理在第一光电元件中产生的电荷的第一电路和处理在第二光电元件中产生的电荷的第二电路。第一电路可以包括多个第一半导体器件。第二电路可以包括多个第二半导体器件。第一电路可以从在第一光电元件中产生的电荷产生第一电信号并且可以将第一电信号输出给第一列线。第二电路可以从在第二光电元件中产生的电荷产生第二电信号并且可以将第二电信号输出给第二列线。
在示例实施例中，彼此相邻的两个或更多个第一电路可以共享一个第一列线。以类似的方式，两个或更多个彼此相邻的第二电路可以共享一个第二列线。彼此相邻的第二电路也可以共享第二半导体器件的一部分。
行驱动器12可以以行为基础驱动像素阵列11。例如，行驱动器12可以产生用于控制相应像素PX的转移晶体管的转移控制信号、用于控制复位晶体管的复位控制信号以及用于控制选择晶体管的选择控制信号。
列驱动器13可以包括相关双采样器(CDS)和模数转换器(ADC)。相关双采样器可以通过与由行驱动器12提供的行选择信号选择的行中的像素PX相连的列线接收电信号，来执行相关双采样。模数转换器可以将来自相关双采样器的输出转换为数字信号，并将该数字信号传输给读出电路15。
读出电路15可以包括例如锁存器或缓冲器电路以及放大电路。锁存器或缓冲器电路可以临时存储数字信号。例如，读出电路15可以临时存储或放大来自列驱动器13的数字信号并产生图像数据。行驱动器12、列驱动器13和读出电路15的操作时序可以由时序控制器14确定。时序控制器14可以基于由图像处理器20传输的控制命令来操作。图像处理器20可以对由读出电路15传输的图像数据执行信号处理，并将经信号处理的图像数据输出给显示设备等，或者将经信号处理的图像数据存储在诸如存储器等的存储设备中。
图2A和图2B示出了图像传感器中的像素电路40A和40B的电路实施例。图2A和图2B中所示的像素电路可以使用在每个像素中的有机光电二极管OPD中产生的电荷来产生电信号。
参考图2A，像素电路40A可以包括3T电路结构的多个晶体管。在示例实施例中，像素电路40A可以包括复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。驱动晶体管DX的栅极端子可以连接到浮置扩散FD(Floatin diffusion)。在有机光电二极管OPD中产生的电荷可以在浮置扩散FD中积累。在示例实施例中，有机光电二极管OPD可以包括彼此平行的第一电极和第二电极，其间具有有机光电转换层。有机光电转换层可以接收预定波段的光以产生电荷。
驱动晶体管DX可以通过浮置扩散FD中积累的电荷而作为源极跟随器缓冲放大器操作。驱动晶体管DX可以对在浮置扩散FD中积累的电荷进行放大，并且将放大的电荷转移到选择晶体管SX。
选择晶体管SX可以基于由行驱动器输入的选择控制信号SEL来操作，并且可以执行切换和寻址操作。例如，当从行驱动器施加选择控制信号SEL时，可以将第一像素信号VOpix输出到与选择晶体管SX相连的第一列线。可以由列驱动器和读出电路来检测第一像素信号VOpix。
可以基于由行驱动器输入的复位控制信号RG来操作复位晶体管RX。复位晶体管RX可以响应于复位控制信号RG将浮置扩散FD的电压复位为读出电压VRD。
在图2A的示例实施例中，有机光电二极管OPD可以使用空穴作为主电荷载流子。例如，当空穴用作主电荷载流子时，有机光电二极管OPD的阴极可以连接到浮置扩散FD，并且有机光电二极管OPD的阳极可以连接到上电极电压Vtop。在示例实施例中，上电极电压Vtop可以具有几伏的电压，例如约3.0V。由于在有机光电二极管OPD中产生空穴作为主电荷载流子，所以复位晶体管RX的漏极端子可以连接到具有与电源电压VDD不同的电压电平的读出电压VRD。可以通过使用空穴作为主电荷载流子来实现像素电路40A来改善暗电流特性。
参考图2B，像素电路40B可以是包括复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX的3T电路。与图2A的示例实施例相比，在图2B所示的示例实施例中，有机光电二极管OPD可以使用电子作为主要电荷载流子。由于产生电子作为主要电荷载流子，所以有机光电二极管OPD的阳极可以连接到浮置扩散FD，并且有机光电二极管OPD的阴极可以连接到接地电压。复位晶体管RX的漏极端子和驱动晶体管DX的漏极端子可以连接到电源电压VDD。
图3A至3C示出了图像传感器中的像素电路50A、50B和50C的附加电路实施例。在示例实施例中，图3A至图3C所示的像素电路可以使用每个像素中的半导体光电二极管中产生的电荷来产生电信号。
参考图3A，像素电路50A可以是包括四个晶体管的4T电路。除了复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX之外，像素电路50A还可以包括转移晶体管TX。与像素电路50A相连的光电元件SPD可以是包括硅等的半导体衬底上的半导体光电二极管，并且可以通过转移晶体管TX连接到浮置扩散FD。例如，与图2A和2B所示的示例实施例不同，光电元件SPD的阴极或阳极可以不直接连接到浮置扩散FD。
转移晶体管TX可以基于由行驱动器传输的转移控制信号TG将在光电元件SPD中积累的电荷转移到浮置扩散FD。光电元件SPD可以产生电子作为主电荷载流子。复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX的操作可以类似于以上参考图2A和2B所描述的操作。可以通过连接到选择晶体管SX的第二列线输出第二像素信号VSpix。可以由列驱动器和读出电路来检测第二像素信号VSpix。
参考图3B，像素电路50B可以包括选择晶体管SX、复位晶体管RX、转移晶体管TX、第一驱动晶体管DX1和第二驱动晶体管DX2。像素电路50B可以包括彼此并联连接的多个驱动晶体管DX1和DX2。通过并联连接多个驱动晶体管DX1和DX2，可以减少或消除随机电报信号(RTS)噪声特性的恶化。
参考图3C，像素电路50C可以包括驱动晶体管DX、复位晶体管RX和转移晶体管TX。例如，当基于转移控制信号TG接通转移晶体管TX时，可以将在光电元件SPD中产生的电荷转移到浮置扩散FD，并且驱动晶体管DX可以对电荷进行放大以输出第二像素信号VSpix。在图3C的示例实施例中，像素电路50C可以不包括选择晶体管。
图3A至图3C所示的实施例的像素电路50A、50B和50C中的每一个可以包括转移晶体管TX。可以由转移控制信号TG来控制转移晶体管TX。可以通过转移控制信号TG确定是否将在光电元件SPD中产生的电荷传输给浮置扩散FD。因此，除了转移晶体管TX之外的驱动晶体管DX、复位晶体管RX，相邻像素可以共享选择晶体管SX等。
图4示出了列线和像素电路的连接结构的实施例，其例如可以在本文描述的一个或多个图像传感器实施例中。
参考图4，相邻像素可以形成一个像素组PG，其可以包括以2x2矩阵排列的四个像素PX1至PX4。像素组PG中的四个像素PX1至PX4中的每一个可以包括第一电路和第二电路。像素组PG中的第一电路可以分别连接到第一光电二极管OPD1至OPD4(例如，有机光电二极管)，以产生第一像素信号VOpix。像素组PG中的第二电路可以分别连接到第二光电元件SPD1至SPD4(例如，半导体光电二极管)，以产生第二像素信号VSpix。可以分别通过第一列线OC0和第二列线SC0输出第一像素信号VOpix和第二像素信号VSpix。
可以将像素PX1至PX4中的每一个的第一电路实现为包括三个晶体管的3T电路。在示例实施例中，第一像素PX1中的第一电路可以包括复位晶体管OR1、驱动晶体管OD1和选择晶体管OS1。复位晶体管OR1和选择晶体管OS1可以分别由行驱动器输入的复位信号ORG[1]和选择信号OSEL[1]控制。在每个扫描周期中，行驱动器可以只接通一个像素组PG的第一电路中的四个选择晶体管OS1至OS4中的一个。因此，像素组PG中的多个第一电路可以共享一个第一列线OC0。
可以将每个第二电路实现为包括四个晶体管的4T电路。在示例实施例中，第一像素PX1的第二电路可以包括转移晶体管TX1、复位晶体管RX、选择晶体管SX、第一驱动晶体管DX1和第二驱动晶体管DX2。复位晶体管RX、选择晶体管SX、第一驱动晶体管DX1和第二驱动晶体管DX2也可以与其他像素中包括的转移晶体管TX2到TX4相连。例如，一个像素组PG中的第二电路可以共享复位晶体管RX、选择晶体管SX、第一驱动晶体管DX1和第二驱动晶体管DX2。
一个像素组PG中的转移晶体管TX1至TX4可以分别由不同的转移信号TG[1]至TG[4]控制。在每个扫描周期中，行驱动器可以使用输入转移信号TG[1]至TG[4]只接通转移晶体管TX1至TX4中的一个。因此，像素组PG中的多个第二电路可以共享复位晶体管RX、选择晶体管SX、第一驱动晶体管DX1、第二驱动晶体管DX2和第二列线SC0。
在示例实施例中，第一像素信号VOpix和第二像素信号VSpix通过第一列线OC0和第二列线SC0的输出顺序可以相同。例如，可以在第一扫描周期中接通第一像素PX1的选择晶体管OS1。可以全部关断其他像素PX2至PX4中的选择晶体管OS2至OS4。因此，可以在第一扫描周期期间通过第一列线OC0输出由第一像素PX1的第一电路使用第一光电元件的电荷产生的第一像素信号VOpix。
同时，在第一扫描周期中，可以接通第一像素PX1的转移晶体管TX1。可以关断其他像素中的所有转移晶体管TX2至TX4。因此，可以在第一扫描周期期间通过第二列线SC0输出由第一像素PX1的第二电路产生的第二像素信号VSpix。通过以与上述相同的方式在各个扫描周期中只接通选择晶体管OS1至OS4中的一个并且只接通转移晶体管TX1至TX4中的一个，则一个像素组PG中的第一电路和第二电路中的每一个可以共享第一列线OC0和第二列线SC0。
图5示出了图像传感器的像素电路中的半导体器件的布局实施例，其例如可以对应于本文描述的一个或多个图像传感器实施例。通过以如图5所示的示例实施例的方式形成半导体器件，可以根据图4所示的示例实施例来提供像素电路。作为示例实施例，图5可以仅示出根据图4的示例实施例的提供像素电路的半导体器件。
参考图5，根据示例实施例的图像传感器可以包括像素分离区域DTI和由像素分离区域DTI限定的多个像素区域PA1至PA8。像素分离区域DTI可以是深沟槽隔离区域，并且可以显著减小像素区域PA1至PA8中的每一个中的光电元件之间的电学串扰和光学串扰。像素分离区域DTI可以包括氧化物等。像素分离区域DTI的侧壁可以由具有预定的相对高反射率的材料形成，例如含硼多晶硅。
像素区域PA1至PA8中的每一个可以包括多个半导体器件，在半导体器件下方具有光电元件。光电元件可以沿一个方向(例如，z轴方向)位于半导体器件下方，并且可以包括第一光电元件和第二光电元件。在示例实施例中，第一光电元件可以是有机光电二极管，并且第二光电元件可以是半导体光电二极管。第二光电元件沿一个方向(例如z轴方向)可以在半导体器件与第一光电元件之间。
在第一至第四像素PX1至PX4中的每一个中以及在图4的像素电路中示出的光电元件OPD1至OPD4和SPD1至SPD4可以在第一至第四像素区域PA1至PA8中的每一个中。例如，在第一像素区域PA1中，第一像素PX1中的第一光电元件OPD1和第二光电元件SPD1可以彼此堆叠。类似地，在第二像素区域PA2中，第二像素PX2中的第一光电元件OPD2和第二光电元件SPD2可以彼此堆叠。
将参考图5来描述实现根据图4的示例实施例的像素组PG的半导体器件的布局实施例。在图5的示例实施例中，每个半导体器件可以包括提供源极/漏极区域的有源区ACT和与有源区ACT相交的栅电极G。
参考图5，在第一至第四像素区域PA1至PA4中，复位晶体管OR1至OR4可以与第一至第四像素PX1至PX4的第一光电元件OPD1至OPD4相连。在示例实施例中，第一至第四像素区域PA1至PA4中的复位晶体管OR1至OR4可以分别与像素分离区域DTI相邻地布置。
根据示例实施例，分别与第一光电元件OPD1至OPD4相连的驱动晶体管OD1至OD4和选择晶体管OS1至OS4可以位于与第一光电元件OPD1至OPD4的像素区域不同的像素区域PA1至PA8中。参考图5，与第一像素PX1的第一光电元件OPD1相连的驱动晶体管OD1和选择晶体管OS1可以在除了第一像素区域PA1之外的第五像素区域PA5中。类似地，与第四像素区域PA4的第一光电元件OPD4相连的驱动晶体管OD4和选择晶体管OS4可以在除了第四像素区域PA4之外的第三像素区域PA3中。
在示例实施例中，驱动晶体管OD1至OD4以及选择晶体管OS1至OS4可以与像素分离区域DTI相邻，并且可以具有彼此连接的有源区ACT。参考图5，驱动晶体管OD1至OD4的有源区ACT可以分别连接到选择晶体管OS1至OS4的有源区ACT。选择晶体管OS1至OS4的有源区ACT可以沿第一方向(例如，x轴方向)延伸。驱动晶体管OD1至OD4的有源区ACT可以沿与第一方向相交的第二方向(例如y方向)延伸。为了改善RTS噪声特性，驱动晶体管OD1至OD4的栅极长度可以比选择晶体管OS1至OS4和复位晶体管OR1至OR4的栅极长度长。
第一至第四像素PX1至PX4中的第一光电元件OPD1至OPD4可以通过第一至第四像素区域PA1至PA4中的过孔电极VE1至VE4连接到第一半导体器件OR1至OR4、OS1至OS4和OD1至OD4的至少一部分。参考作为示例的第三像素区域PA3，沿一个方向(例如，z轴方向)延伸的过孔电极VE3可以在第三像素区域PA3中。过孔电极VE3的一个表面可以连接到第三像素区域PA3的下部中的第一光电元件OPD3。过孔电极VE3的另一个表面可以经由金属线ML和触点CNT连接到第三像素PX3的第一电路C1中的第一半导体器件OR3，OS3和OD3。
参考图5，与各个过孔电极VE1至VE4相连的第一半导体器件OR1至OR4、OS1至OS4和OD1至OD4的至少部分可以在不同的像素区域中。作为示例，参考与第二过孔电极VE2相连的第一半导体器件OR2、OS2和OD2中的第二像素区域PA2，复位晶体管OR2可以在第二像素区域PA2中，并且选择晶体管OS2和驱动晶体管OD2可以在第一像素区域PA1中。类似地，参考第三像素PA3，在与第三过孔电极VE3相连的第一半导体器件OR3、OS3和OD3中，复位晶体管OR3可以在第三像素区域PA3中，并且选择晶体管OS3和驱动晶体管OD3可以在第六像素区域PA6中。
与第一至第四像素区域PA1至PA4中的第二光电元件SPD1至SPD4相连的第二电路C2可以共享一个像素组PG中的第二半导体器件TX1至TX4、DX1、DX2、RX和SX的至少一部分。参考图4，可以在一个像素组PG中共享除了转移晶体管TX1至TX4之外的复位晶体管RX、选择晶体管SX、第一驱动晶体管DX1和第二驱动晶体管DX2。
由于在一个像素组PG中共享第二半导体器件TX1至TX4、DX1、DX2、RX和SX的至少一部分，因此在一个像素组PG中的第二半导体器件TX1至TX4、DX1、DX2、RX和SX占用的面积可以小于第一半导体器件OR1至OR4、OS1至OS4以及OD1至OD4所占用的面积。另外，在第一至第四像素区域PA1至PA4中，第二半导体器件TX1至TX4、DX1、DX2、RX和SX占用的面积可以小于第一半导体器件OR1至OR4、OS1至OS4和OD1至OD4占用的面积。半导体器件占用的面积可以是由各个半导体器件的有源区ACT和栅电极G覆盖的半导体衬底的面积。
参考图5，第一至第四像素区域PA1至PA4中的每一个可以包括转移晶体管TX1至TX4中的一个。在示例实施例中，第一至第四像素区域PA1至PA4中的转移晶体管TX1至TX4可以分别处于不与像素分离区域DTI相邻的位置处。参考作为示例的第一像素区域PA1，其他半导体器件OR1、OS2和OD2以及过孔电极VE1可以在转移晶体管TX1的外围中，从而不与像素分离区域DTI相邻。
参考图5，第二电路C2中的复位晶体管RX可以在第三像素区域PA3中。第一驱动晶体管DX1可以在第四像素区域PA4中。第二驱动晶体管DX2可以在第二像素区域PA2中。另外，第二电路C2中的选择晶体管SX可以在另一相邻像素组PG2的第七像素区域PA7中。例如，由第二电路C2共享的第二半导体器件RX、SX、DX1和DX2中的至少一个可以位于相邻像素组PG2的区域中，相邻像素组PG2与其中布置转移晶体管TX1至TX4的像素组PG不同。
在示例实施例中，像素区域PA1至PA8中的每一个的水平或竖直宽度可以等于或小于2μm。在示例实施例中，彼此相邻的两个或更多个像素区域PA1至PA8可以定义为一个像素组PG。第二电路C2可以在一个像素组PG内共享复位晶体管RX、选择晶体管SX、第一驱动晶体管DX1和第二驱动晶体管DX2。此外，由第二电路C2共享的第二半导体器件RX、SX、DX1和DX2中的至少一个可以在另一相邻像素组中。第一电路C1中的元件的一部分可以位于其他相邻的像素区域PA1至PA8中。因此，第一电路C1和第二电路C2中的半导体器件可以高效地布置在有限的区域内。另外，由于各个像素区域PA1至PA8中的光电元件通过不同颜色的光产生电荷，因此可以改善图像传感器的颜色再现性。
图6示出了图像传感器中的半导体器件的另一个布局实施例，其可以对应于本文的图像传感器实施例中的任何一个。
参考图6，图像传感器可以包括重复布置的多个像素区域PA1至PA8。像素区域PA1至PA8可以被像素分离区域DTI分开。另外，像素区域PA1至PA8可以形成像素组PG1至PG3。图6示出了第一像素组PG1、第二像素组PG2和第三像素组PG3。像素组PG1至PG3中的每一个可以包括布置成2×2矩阵的四个像素区域PA1至PA8。例如，第一像素组PG1可以包括第一至第四像素区域PA1至PA4。
在图6的示例实施例中，每个像素区域PA1至PA8可以包括沿一个方向(例如，z轴方向)彼此堆叠的两个或更多个光电元件。多个半导体器件可以形成在光电元件上。多个半导体器件可以使用在各个光电元件中产生的电荷产生电信号，并且可以通过列线输出电信号。
在示例实施例中，第二光电元件SPD1至SPD8可以位于像素区域PA1至PA8中的每一个中的半导体器件的下方。第一光电元件还可以在第二光电元件SPD1至SPD8的下方。第一光电元件和第二光电元件SPD1至SPD8可以吸收不同波段中的光以产生电荷。第一光电元件可以是有机光电二极管，并且第二光电元件SPD1至SPD8可以是半导体光电二极管。
参考图6，可以不在像素区域PA1至PA8之间的边界的至少一部分中形成像素分离区域DTI。过孔电极VE1至VE8可以形成在没有形成像素分离区域DTI的区域中。过孔电极VE1至VE8可以与第二光电元件SPD1至SPD8相邻，并且可以沿一个方向(例如，z轴方向)延伸以连接到第二光电元件SPD1至SPD8下方的第一光电元件。
像素区域PA1至PA8中的每一个中的半导体器件可以包括有源区ACT和栅电极G。有源区ACT可以提供各个半导体器件的源极/漏极区。栅电极G可以与有源区相交。每个半导体器件的有源区ACT和栅电极G的面积和形状可以进行各种修改。
图像传感器中的每个像素区域PA1至PA8可以包括例如对在相邻像素区域PA1至PA8中的光电元件中产生的电荷进行处理的半导体器件。例如，半导体器件的至少一部分可以位于其他相邻像素区域PA1至PA8中，以使用在各个像素区域PA1至PA8中的光电元件中产生的电荷来产生电信号。
在图6所示的示例性实施例中，第一像素区域PA1中的第一光电器件可以经由第一通孔电极VE1连接到第一半导体器件OR1、OS1和OD1。第一半导体器件OR1、OS1和OD1可以是复位晶体管OR1、选择晶体管OS1和驱动晶体管OD1，并且可以使用在第一光电元件OPD1中产生的电荷来产生第一电信号VOpix。
与第一像素区域PA1中的光电元件连接的第一半导体器件OR1、OS1和OD1中的至少一部分可以不在第一像素区域PA1中。参考图6，在第一半导体器件OR1、OS1和OD1中，选择晶体管OS1和驱动晶体管OD1可以在除了第一像素区域PA1之外的第六像素区域PA6中。第六像素区域PA6可以与第一像素区域PA1相邻。因此，第六像素区域PA6可以包括使用在相邻的第一像素区域PA1的第一光电元件OPD1中产生的电荷来产生电信号的第一半导体器件(例如第一半导体器件OS1和OD1)的一部分。
在第二像素区域PA2的情况下，第一半导体器件OR2、OS2和OD2的一部分可以在第一像素区域PA1中以对在第二像素区域PA2的所述第一光电元件OPD2中产生的电荷进行处理。例如，第一像素区域PA1可以包括第一半导体器件(例如OS2和OD2)的一部分，以使用在相邻的第二像素区域PA2中产生的电荷来产生电信号。另外，第二像素区域PA2可以包括与相邻的第七像素区域PA7的过孔电极VE7相连的第一半导体器件(例如OS7和OD7)的一部分。
参考图6，第一像素组PG1的像素PX1至PX4可以包括用于确定是否将在第一光电元件SPD1至SPD4中产生的电荷传输至浮置扩散的转移晶体管TX1至TX4。在示例实施例中，像素PXI至PX4中的每一个可以包括转移晶体管TX1至TX4中的一个。
可以通过第二半导体器件TX1至TX4、DX1-1、DX1-2、RX和SX将在第一像素组PG1中的第二光电元件SPD1至SPD4中产生的电荷转换为第二电信号VSpix。第一像素组PG1中的第一至第四像素PX1至PX4可以共享复位晶体管RX1、选择晶体管SX1、第一驱动晶体管DX1-1和第二驱动晶体管DX1-2。在示例实施例中，由第一至第四像素PX1至PX4共享的复位晶体管RX1、选择晶体管SX1、第一驱动晶体管DX1-1和第二驱动晶体管DX1-2中的至少一个可以不是在第一像素组PG1中。
参考图6，在由第一至第四像素PX1至PX4共享的元件中，选择晶体管SX1可以在与第一像素组PG1相邻的第三像素组PG3中。另外，由第二像素组PG2共享的选择晶体管SX2可以在第一像素组PG1中。
图7示出了沿着图6中的线I-I′截取的图像传感器的实施例。图8示出了沿着图6中的线II-II′截取的图像传感器的实施例。
参考图7，图像传感器可以是背照式图像传感器。从外部入射的光可以通过微透镜102传输到光电元件OPD、SPD3、SPD4和SPD6。光电元件可以包括第一光电元件OPD和第二光电元件SPD3、SPD4和SPD6。
参考图6，第三像素区域PA3可以包括沿单个方向(例如，z轴方向)堆叠的第一光电元件OPD和第二光电元件SPD3。第一光电元件OPD和第二光电元件SPD3可以接收不同颜色的光以产生电荷。在示例实施例中，第一光电器件OPD可以是有机光电二极管，并且第二光电器件SPD3可以是半导体光电二极管。第二光电元件SPD3可以在半导体衬底101中并且可以接收通过滤色器103的光以产生电荷载流子。在示例实施例中，通过第三像素区域PA3中的滤色器103的光的颜色可以不同于通过第四像素区域PA4和第六像素区域PA6中的滤色器103的光的颜色。
第三像素区域PA3可以包括与第三像素区域和第六像素区域PA6的边界相邻的过孔电极VE3。过孔电极VE3可以包括绝缘部分121和导电部分122。导电部分122可以通过绝缘部分121与半导体衬底101和第二光电元件SPD3电隔离。过孔电极VE3的一个表面可以连接到第一光电元件OPD。
在示例实施例中，第一光电元件OPD可以包括面向第二电极层112的第一电极层111。第二电极层112可以连接到过孔电极VE3。颜色选择层113可以通过光电效应产生电荷，并且可以在第一电极层111和第二电极层112之间。颜色选择层113可以包括有机材料并且可以包括其中主载流子是空穴的p型层和其中主载流子是电子的n型层。颜色选择层113可以基于特定波段的光产生电荷。作为示例，颜色选择层113可以基于绿光产生电荷。可以通过滤色器103将绿色以外颜色的光可以通过滤色器103传输给第二光电元件SPD3。
第一电极层111和第二电极层112可以由透明导电材料(例如，ITO、IZO、ZnO或SnO2)或半透明导电材料(例如，金属薄膜的材料)构成。在示例实施例中，第一电极层111的功函数可以大于或等于第二电极层112的功函数。
第二光电元件SPD3可以接收通过滤色器103的光以产生电荷。在示例实施例中，滤色器103可以允许红色或蓝色光通过。通过第三像素区域PA3的滤色器103的光的颜色可以不同于通过第四像素区域PA4和第六像素区域PA6的滤色器103的光的颜色。
多个半导体器件可以在第二光电元件SPD3上。多个半导体器件可以使用在第一光电元件OPD和第二光电元件SPD3中产生的电荷来产生电信号。参考图6，第三像素区域PA3可以包括转移晶体管TX3，所述转移晶体管TX3可以包括转移栅电极131和浮置扩散133。转移栅电极131可以按照转移栅电极131的至少一部分嵌入在半导体衬底101中的方式形成。栅极绝缘层132可以位于转移栅电极131和半导体衬底101之间。
浮置扩散133可以是掺杂有n型杂质的区域。可以通过输入到转移栅电极131的电压将在第二光电元件SPD3中产生的电荷转移到浮置扩散133。例如，当预定电平的电压输入到转移栅电极131时，其中可以转移电荷的沟道区域可以在浮置扩散区133和第二光电元件SPD3之间。
第三像素区域PA3中的驱动晶体管OD4的栅电极141可以具有水平结构。栅极绝缘层142可以位于栅电极141和半导体衬底101之间。第三像素区域PA3中的驱动晶体管OD4的栅电极141可以电连接到第四像素区域PA4中的过孔电极VE4。因此，第三像素区域PA3中的驱动晶体管OD4可以使用由第四像素区域PA4中的第一光电元件OPD产生的电荷来产生电信号。类似地，第六像素区域PA6中的驱动晶体管OD3的栅电极143可以连接到第三像素区域PA3中的过孔电极VE3。
参考图7，像素分离区域DTI可以在像素区域PA2和PA4之间。像素分离区域DTI可以从半导体衬底101的上表面延伸，并且可以设置为将第二光电元件SPD2和SPD4彼此分开。第二光电元件SPD2和SPD4可以不形成在其中形成像素分离区域DTI的区域中以及其中形成过孔电极VE2的区域中。因此，各个像素区域PA2和PA4中的第二光电元件SPD2和SPD4中的每一个的光接收区域的面积可以小于第一光电元件OPD的光接收区域的面积。光接收区域可以定义为X-Y平面，例如与光入射方向相交的平面。
参考图8，对在第一光电元件OPD中产生的电荷进行处理的元件中的栅电极151或者有源区153至155可以与像素分离区域DTI相邻。例如，在复位晶体管OR3的源极区域和漏极区域彼此相交的基底上的沿线II-II′截取的截面图中仅示出复位晶体管OR3的一个有源区153。
图9示出了根据本文描述的任何一个示例实施例的包括图像传感器的电子设备的实施例。电子设备可以是例如计算机装置1000。
参考图9，可以将半导体器件应用于计算机装置1000。计算机装置1000可以包括图像传感器1010、输入/输出设备1020、存储器1030、处理器1040和端口1050。半导体器件10可以应用于图像传感器1010、存储器1030和处理器1040。计算机装置1000还可以包括有线/无线通信设备、电源设备以及其他特征。
端口1050可以是允许计算机装置1000与视频卡、声卡、存储卡、USB设备或另一设备通信的设备。计算机装置1000可以基于综合的概念，包括但不限于智能电话、平板PC、智能穿戴设备、台式计算机和膝上型计算机等。
处理器1040可以执行特定的算术运算、操作、任务等。处理器1040可以是例如中央处理单元(CPU)或微处理器单元(MCU)，并且可以与存储器1030、输入/输出设备1020、图像传感器1010以及经由总线1060连接到端口1050的其他设备通信。
存储器1030可以是用于存储要用于计算机装置1000的操作的数据、多媒体数据等的存储介质。存储器1030可以包括诸如随机存取存储器(RAM)的易失性存储器或者诸如闪存等的非易失性存储器。另外，存储器1030可以包括固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)和光盘驱动器(ODD)中的至少一个作为存储设备。输入/输出设备1020可以包括针对用户的诸如键盘、鼠标、触摸屏等的输入设备。输出设备可以是例如显示器、音频输出单元等。
图像传感器1010可以包括具有多个晶体管的传感器电路。图像传感器1010的像素电路可以包括根据各种示例实施例布置的半导体器件。多个像素可以形成一个像素组。一个像素组中的像素电路可以共享列线，从而增加电路集成度。此外，通过在其中各个像素以行为基础而激活的每个扫描周期中检测来自单个像素中的光电元件的信号，可以显著减小像素之间的耦合分量的改变。结果，可以显著减少或消除沿水平方向固定模式噪声的出现。
本文所述的方法、处理和/或操作可以通过要由计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备执行的代码或指令来执行。计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备可以是本文中所描述的元件或除了本文中所描述的元件之外的元件。因为详细描述了形成方法(或计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备的操作)的基础的算法，所以用于实现方法实施例的操作的代码或指令可以将计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备转换为用于执行本文中所描述的方法的专用处理器。
所公开实施例的处理器和其它信号产生和信号处理特征可以以例如可以包括硬件、软件或两者的逻辑来实现。当至少部分地在处理器和其它信号产生和信号处理特征可以是例如多种集成电路中的任何一种，包括但不限于专用集成电路、现场可编程门阵列、逻辑门的组合、片上系统、微处理器或另一类型的处理或控制电路。
当至少部分地在软件中实现时，处理器和其它信号产生和信号处理特征可以包括例如存储器或其他存储器设备，用于存储要由例如计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备执行的代码或指令。计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备可以是本文中所描述的元件或除了本文中所描述的元件之外的元件。因为详细描述了形成方法(或计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备的操作)的基础的算法，所以用于实现方法实施例的操作的代码或指令可以将计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备转换为用于执行本文中所描述的方法的专用处理器。
根据一个或多个前述实施例，连接到第一光电元件的半导体器件和连接到第二光电元件的半导体器件可以高效地布置在有限区域的像素区域中。通过根据前述示例实施例以布局结构布置半导体器件，可以改善有限区域中的半导体器件的特性，并且可以提高图像传感器的性能。
本文已经公开了示例实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅用于且将被解释为一般的描述性意义，而不是为了限制的目的。在一些情况下，如本领域技术人员在提交本申请时将清楚的，除非另有说明，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独地使用，或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件相组合地使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离权利要求中阐述的实施例的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种包括多个像素区域的图像传感器，包括：
多个第一光电元件；
在所述多个第一光电元件下方的多个第二光电元件；以及
像素电路，包括在所述多个第二光电元件下方的第一半导体器件和第二半导体器件，所述第一半导体器件连接到所述多个第一光电元件中的至少一个，并且所述第二半导体器件连接到所述多个第二光电元件中的至少一个，其中所述第一半导体器件连接到所述多个第一光电元件中的不同的第一光电元件并且位于所述多个像素区域中的一个像素区域中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中
所述第一半导体器件包括第一复位晶体管、第一选择晶体管和第一驱动晶体管，以及
所述多个像素区域中的一个像素区域中的所述第一选择晶体管和所述第一驱动晶体管连接到所述多个第一光电元件中的一个第一光电元件，所述一个第一光电元件与所述多个第一光电元件中连接到所述第一复位晶体管的另一个第一光电元件不同。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第一选择晶体管的有源区连接到所述第一驱动晶体管的有源区。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中
所述第一选择晶体管的有源区沿第一方向延伸，以及
所述第一驱动晶体管的有源区沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第一选择晶体管的栅极长度短于所述第一驱动晶体管的栅极长度。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中
所述第一半导体器件提供第一电路，
所述第二半导体器件提供第二电路，以及
所述多个像素区域中的两个或更多个相邻像素区域提供单个像素组。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中
所述单个像素组中的第一电路共享第一列线，并且
所述单个像素组中的第二电路共享第二列线。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述单个像素组中的第二电路共享所述第二半导体器件中的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中由所述单个像素组中的所述第二电路共享的所述第二半导体器件中的至少一个位于另一个相邻像素组中。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
所述多个像素区域之间的分离区域，
其中所述第一半导体器件与所述分离区域相邻。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括：
过孔电极，将所述第一半导体器件与所述多个第一光电元件彼此电连接，所述过孔电极在所述多个像素区域之间的不包括所述分离区域的边界处。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个第一光电元件的光接收区域大于所述多个第二光电元件的光接收区域。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个第一光电元件和所述多个第二光电元件接收不同波段的光以产生对应的电荷。
14.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，包括所述多个像素区域；
所述半导体衬底上的多个第一光电元件；
所述半导体衬底中的多个第二光电元件；
像素电路，位于所述多个第二光电元件下方并且包括与所述多个第一光电元件中的至少一个电连接的第一半导体器件和与所述多个第二光电元件中的至少一个电连接的第二半导体器件；以及
过孔电极，穿透所述半导体衬底并且将所述第一半导体器件连接到所述多个第一光电元件中的至少一个，其中所述第一半导体器件的与所述过孔电极中的一个相连的部分位于所述多个像素区域中的不同像素区域中。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中在所述多个像素区域中的每个像素区域中，所述第一半导体器件占用的面积大于所述第二半导体器件占用的面积。
16.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述第一半导体器件的与所述过孔电极中的一个相连的部分共享有源区。
17.根据权利要求14所述的图像传感器，其中在所述多个像素区域中的每一个中，所述多个第一光电元件的光接收区域大于所述多个第二光电元件的光接收区域。
18.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述第二半导体器件包括复位晶体管、选择晶体管、驱动晶体管和转移晶体管。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中
所述多个像素区域中的两个或更多个相邻像素区域提供单个像素组，以及
所述单个像素组中的所述多个第二光电元件共享所述复位晶体管、所述选择晶体管和所述驱动晶体管。
20.一种图像传感器，包括：
彼此相邻的第一像素组至第三像素组，
其中所述第一像素组至所述第三像素组中的每一个包括多个第一光电元件、所述多个第一光电元件下方的多个第二光电元件以及包括所述多个第二光电元件下方的第一半导体器件和第二半导体器件在内的像素电路，以及
其中所述第一像素组中的所述第一半导体器件中的至少一个连接到所述第二像素组中的所述多个第一光电元件中的至少一个，并且所述第一像素组中的所述第二半导体器件中的至少一个连接到所述第三像素组中的所述多个第二光电元件中的至少一个。
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