CN109728025B - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器包括衬底上的滤色器、滤色器上的第一有机光电二极管和第二有机光电二极管以及分别连接至第一有机光电二极管和第二有机光电二极管的第一电容器和第二电容器。滤色器与衬底的第一表面间隔开。第一有机光电二极管和第二有机光电二极管中的每一个面对滤色器的上表面。第一电容器包括第一导电图案和第一绝缘间隔件。第一导电图案延伸穿过衬底，第一绝缘间隔件包围第一导电图案的侧壁并且具有第一厚度。第二电容器包括第二导电图案和第二绝缘间隔件。第二导电图案延伸穿过衬底，第二绝缘间隔件包围第二导电图案的侧壁并且具有小于第一厚度的第二厚度。

Description

图像传感器
于2017年10月31日在韩国知识产权局提交的标题为“图像传感器”的韩国专利申请No.10-2017-0143642以引用方式全文并入本文中。
技术领域
示例实施例涉及图像传感器。
背景技术
图像传感器可用作系统的一部分，以将光转换为数据，从而例如俘获静态图像或运动图像。
发明内容
实施例涉及一种图像传感器，其包括衬底上的滤色器、滤色器上的第一有机光电二极管、滤色器上的第二有机光电二极管、连接至第一有机光电二极管的第一电容器和连接至第二有机光电二极管的第二电容器。滤色器可与衬底的第一表面间隔开。第一有机光电二极管可面对滤色器的上表面。第二有机光电二极管可面对滤色器的上表面。第一电容器可包括第一导电图案和第一绝缘间隔件。第一导电图案可延伸穿过衬底，第一绝缘间隔件可包围第一导电图案的侧壁并且具有第一厚度。第二电容器可包括第二导电图案和第二绝缘间隔件。第二导电图案可延伸穿过衬底，第二绝缘间隔件可包围第二导电图案的侧壁并且具有小于第一厚度的第二厚度。
实施例还涉及一种图像传感器，其包括衬底上的滤色器、滤色器上的有机光电二极管、包括第一导电图案和第一绝缘间隔件的第一电容器和包括第二导电图案和第二绝缘间隔件的第二电容器。滤色器可与衬底的第一表面间隔开。有机光电二极管可面对滤色器的上表面。第一导电图案可连接至有机光电二极管，并且延伸穿过衬底，第一绝缘间隔件可包围第一导电图案的侧壁并且具有第一厚度。第二导电图案可不直接连接至有机光电二极管，并且延伸穿过衬底，第二绝缘间隔件可包围第二导电图案的侧壁并且具有小于第一厚度的第二厚度。
实施例还涉及一种图像传感器，其包括半导体衬底上的滤色器、在同一平面上彼此间隔开的第一下透明电极和第二下透明电极、第一下透明电极和第二下透明电极上的有机光电二极管层、有机光电二极管层上的上透明电极层、延伸穿过半导体衬底的第一TSV和延伸穿过半导体衬底的深沟槽隔离图案。滤色器可与半导体衬底的第一表面间隔开。第一下透明电极和第二下透明电极可面对滤色器的上表面。第一TSV可连接至第一下透明电极。深沟槽隔离图案可连接至第二下透明电极。
附图说明
通过参照附图详细描述示例实施例，特征将对于本领域技术人员变得清楚，其中：
图1示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素，并且图2示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素的布局；
图3示出了图1的图像传感器的单元像素的第一浮动扩散区和第二浮动扩散区的电压；
图4示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素；
图5A和图5B示出了图4的图像传感器的单元像素的第一FD区和第二FD区的电压；
图6A示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素，并且图6B示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素的布局；
图7示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素；
图8示出根据示例实施例的图像传感器的单元像素，并且图9示出了图8中的图像传感器的单元像素的第一FD区和第二FD区的电压；
图10示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素，并且图11A和图11B示出了图10中的图像传感器的单元像素的第一FD区和第二FD区的电压；
图12示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素，并且图13示出了连接至各个单元像素的晶体管；
图14A，14B和图14C示出了在图10中的晶体管的对应节点的电压；
图15示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素；
图16示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素；以及
图17示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更全面地描述示例实施例；然而，它们可以以不同形式实施，并且不应当被理解为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达示例实施方式。在图中，为了示出清楚，可以夸大层和区的尺寸。相同附图标记始终指代相同元件。
图1示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素，并且图2示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素的布局。图3示出了图1的图像传感器的单元像素的第一浮动扩散区和第二浮动扩散区的电压。
参照图1和图2，图像传感器可包括按照矩阵图案排列的多个单元像素。每个单元像素可包括第一光电二极管区PD1和第二光电二极管区PD2，它们可分别包括第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172。第一有机光电二极管170可用作高灵敏度光电二极管，并且第二有机光电二极管172可用作低灵敏度光电二极管。
电连接至第一有机光电二极管170的第一电容器CAP1可具有第一电容，电连接至第二有机光电二极管172的第二电容器CAP2可具有大于第一电容的第二电容。电连接至第一有机光电二极管170的第一硅通孔(TSV)130可用作第一电容器CAP1。电连接至第二有机光电二极管172的深沟槽隔离图案140可用作第二电容器CAP2。单元像素可包括电连接至第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172的晶体管。晶体管可形成在半导体衬底100上。
例如，半导体衬底100可包括大块衬底、外延衬底或者绝缘体上硅(SOI)衬底。半导体衬底100可包括半导体材料(例如，硅或锗)或者化合物半导体(例如，碳化硅、砷化镓、砷化铟)等。例如，半导体衬底100可为p型半导体衬底。
半导体衬底100可包括其中形成有单元像素的单元像素区。例如，可通过延伸通过半导体衬底100的深沟槽隔离图案140来限定单元像素区。
半导体衬底100可具有第一表面1和与第一表面1相对的第二表面2。晶体管、光电转换元件、布线结构可形成在半导体衬底100的第二表面2上。隔离层102可形成在半导体衬底100的第二表面2上。光可入射至半导体衬底100的第一表面1上。第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172可形成在半导体衬底100的第一表面1上。
第一层间绝缘层144可形成在半导体衬底100的第一表面1上。第一层间绝缘层144可具有平坦的上表面。
滤色器146可形成在第一层间绝缘层144上。例如，滤色器146可为红色滤色器或蓝色滤色器。
第二层间绝缘层148可覆盖滤色器146。第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172可形成在第二层间绝缘层148上。
第一有机光电二极管170可具有包括按次序堆叠的第一下透明电极160、有机层164和上透明电极层(或上透明电极)166的堆叠结构。第二有机光电二极管172可具有包括按次序堆叠的第二下透明电极162、有机层164和上透明电极层166的堆叠结构。
第一下透明电极160和第二下透明电极162可在基本相同的平面上彼此间隔开。有机层164和上透明电极166可共同用于第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172。因此，有机层164和上透明电极层166可覆盖第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172二者。第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172可通过第一下透明电极160和第二下透明电极162彼此区分。
在当前示例实施例中，第一下透明电极160和第二下透明电极162的上表面可具有基本相同面积。在基本相同的照度下分别从第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172产生的光电荷可彼此基本相同。
第一下透明电极160和第二下透明电极162可与滤色器146间隔开和面对滤色器146。例如，第一下透明电极160和第二下透明电极162中的每一个的至少一部分可在竖直方向上与滤色器146重叠。
在当前示例实施例中，第一下透明电极160和第二下透明电极162可布置在第二层间绝缘层148中的凹陷中。第一下透明电极160和第二下透明电极162的上表面和第二层间绝缘层148的上表面可为平坦的。
有机层164可形成在第一下透明电极160和第二下透明电极162以及第二层间绝缘层148上。有机层164可包括可仅对具有特定波长或波长范围的光进行光电转换的有机材料。例如，有机层164可仅通过绿光进行光电转换。
例如，有机层164可包括具有电子供应有机材料和电子接收有机材料的复合有机材料。例如，有机层164可包括其中p型半导体和n型半导体形成PN结或者体异质结的单层或多层。
在当前示例实施例中，例如，第一下透明电极160和第二下透明电极162可包括ITO、IZO、ZnO、SnO2、掺锑氧化锡(ATO)、掺Al氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)、TiO2或掺氟氧化锡(FTO)。
在当前示例实施例中，例如，上透明电极层166可包括ITO、IZO、ZnO、SnO2、掺锑氧化锡(ATO)、掺Al氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)、TiO2或掺氟氧化锡(FTO)。
上透明电极166可形成在保护层180上。在当前示例实施例中，例如，保护层180可包括氧化物。还可在保护层180上形成平坦化层182。
可在平坦化层182上形成微透镜184。
在当前示例实施例中，可在半导体衬底100中形成下光电转换元件104。下光电转换元件104可在竖直方向上与滤色器146重叠。下光电转换元件104可为光电二极管。下光电转换元件104可包括杂质区。
第一浮动扩散(FD)区108和第二FD区110可布置在半导体衬底100中。第一FD区108和第二FD区110可与下光电转换元件104间隔开，并且可通过半导体衬底100的第二表面2暴露出来。例如，第一FD区108和第二FD区110可掺有n型杂质。
用于单元像素的晶体管可形成在半导体衬底100的第二表面2周围。例如，驱动晶体管、选择晶体管、复位晶体管等可形成在半导体衬底100的第二表面2周围。
可在半导体衬底100的第二表面2上形成第三层间绝缘层112以及第一布线结构120和第二布线结构122。第一布线结构120和第二布线结构122可形成在第三层间绝缘层112中。
在当前示例实施例中，第一布线结构120可包括连接至第一FD区108的第一接触插塞120a和第一导电图案120b。第一布线结构120还可包括连接至第一导电图案120b的第一过孔接触件120c。
第二布线结构122可包括连接至第二FD区110的第二接触插塞122a和第二导电图案122b。第二布线结构122还可包括连接至第二导电图案122b的第二过孔接触件122c。
第一TSV 130可延伸穿过半导体衬底100的第一表面1至第二表面2。第一TSV 130可接触第一过孔接触件120c。
第一TSV 130可布置在延伸穿过半导体衬底100的第一孔128中。第一TSV 130可包括第一孔128的侧壁上的第一绝缘间隔件130a和填充第一孔128的内空间的第三导电图案130b。第一绝缘间隔件130a可覆盖第三导电图案130b的侧壁。第一TSV 130可具有从半导体衬底100的第二表面2朝着半导体衬底100的第一表面1逐渐减小的宽度。第一TSV 130在竖直方向上可不与滤色器146重叠。
在当前示例实施例中，第一绝缘间隔件130a可包括例如，氧化硅和/或氮化硅。在当前示例实施例中，例如，第三导电图案130b可包括掺杂的多晶硅。在一些实施例中，例如，第三导电图案130b可包括金属或金属氮化物。例如，金属可包括铝、铜、钨等。
在当前示例实施例中，第三导电图案130b的第一表面可与半导体衬底100的第二表面2间隔开，以布置在半导体衬底100的内部中。第一过孔接触件120c可从第一导电图案120b延伸至第三导电图案130b的第一表面。
第一TSV 130的第三导电图案130b和第一绝缘间隔件130a和半导体衬底100可形成电容器。因此，第一TSV 130可用作用于光电荷的贮存区(例如，第一FD区108)的第一电容器CAP1。
在各个单元像素中，当第一电容器CAP1的电容减小时，可示出用于将光电荷转换为像素信号的效率的转换增益可增大。因此，通过减小第一电容器CAP1的电容，第一有机光电二极管170的灵敏度可提高。
第一绝缘间隔件130a从第一孔128的侧壁起的厚度可增大，以使得第一电容器CAP1的电容可减小。第一绝缘间隔件130a可包括介电常数低于例如氮化硅的介电常数的材料。第一绝缘间隔件130a可具有第一厚度。
在平面图中，如图2所示，单元像素区可具有点阵图案，并且各个单元像素区可被深沟槽隔离图案140包围。在当前示例实施例中，在布置第一TSV 130的区域，深沟槽隔离图案140可不连续。
深沟槽隔离图案140可布置在延伸穿过半导体衬底100的第二表面2到达半导体衬底100的第一表面1的第二孔中。深沟槽隔离图案140可包括第二孔的侧壁上的第二绝缘间隔件140a和填充第二孔的内空间的第四导电图案140b。第二绝缘间隔件140a可覆盖第四导电图案140b的侧壁。深沟槽隔离图案140可具有从半导体衬底100的第二表面2朝着半导体衬底100的第一表面1逐渐减小的宽度。
在当前示例实施例中，第二绝缘间隔件140a可包括氧化硅和/或氮化硅。在一些实施例中，第二绝缘间隔件140a可包括介电常数大于氮化硅的介电常数的金属氧化物。例如，金属氧化物可包括氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钛等，并且深沟槽隔离图案140可具有高电容。在当前示例实施例中，例如，第四导电图案140b可包括掺杂的多晶硅。在一些实施例中，例如，第四导电图案140b可包括金属或金属氮化物。
在当前示例实施例中，第四导电图案140b的第一表面可与半导体衬底100的第二表面2间隔开，以布置在半导体衬底100的内部中。第二过孔接触件122c可从第二导电图案122b延伸至第四导电图案140b的第一表面。
在当前示例实施例中，深沟槽隔离图案140可具有小于第一TSV130的宽度的宽度。
深沟槽隔离图案140的第四导电图案140b的至少一部分可接触第二过孔接触件122c。因此，深沟槽隔离图案140可用作电连接至第二有机光电二极管172的布线。
深沟槽隔离图案140的第四导电图案140b和第二绝缘间隔件140a和半导体衬底100可形成电容器。因此，深沟槽隔离图案140可用作用于光电荷的贮存区(例如，第二FD区110)的第二电容器CAP2。
第二电容器CAP2可包围单元像素区的至少一部分，因此可具有大于第一电容器CAP1的面积的面积。因此，第二电容器CAP2可具有大于第一电容器CAP1的电容的电容。
通过增大第二电容器CAP2的电容，可减小第二有机光电二极管172的灵敏度。
第二绝缘间隔件140a从第二孔的侧壁起的第二厚度可小于第一绝缘间隔件130a的第一厚度，从而第二电容器CAP2的电容可相对增大。
在当前示例实施例中，第一绝缘间隔件130a和第二绝缘间隔件140a可包括基本相同的材料。在一些实施例中，第一绝缘间隔件130a和第二绝缘间隔件140a可包括不同的材料，并且第二绝缘间隔件140a的介电常数可大于第一绝缘间隔件130a的介电常数。
在当前示例实施例中，第三导电图案130b和第四导电图案140b可包括基本相同的材料或不同的材料。
在当前示例实施例中，可在半导体衬底100的第一表面1上形成焊盘142，并且其可电连接至深沟槽隔离图案140的第四导电图案140b。
第三过孔接触件150可将第一下透明电极160和第一TSV 130连接。第三过孔接触件150可延伸通过第一层间绝缘层144和第二层间绝缘层148。因此，第一有机光电二极管170可通过第三过孔接触件150和第一TSV 130电连接至第一FD区108。
第四过孔接触件152可将第二下透明电极162和深沟槽隔离图案140连接。第四过孔接触件152可延伸通过第一层间绝缘层144和第二层间绝缘层148。因此，第二有机光电二极管172可通过第四过孔接触件152和深沟槽隔离图案140电连接至第二FD区110。
当光在相同照度条件下辐射于第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172上时，从第一有机光电二极管170产生的光电荷可扩散至第一FD区108中，并且从第二有机光电二极管172产生的光电荷可扩散至第二FD区110中。
第一有机光电二极管170可连接至具有相对低的电容的第一TSV 130。因此，用于将从第一有机光电二极管170产生的光电荷转换为电压信号的转换增益可增大。因此，如图3所示，第一FD区108的电压可增大，第一有机光电二极管170可具有相对更高灵敏度的信号。
第二有机光电二极管172可连接至具有相对高的电容的深沟槽隔离图案140。因此，用于将从第二有机光电二极管172产生的光电荷转换为电压信号的转换增益可相对减小。因此，如图3所示，第二FD区110的电压可减小，第二有机光电二极管172可具有相对更低灵敏度的信号。
在当前示例实施例中，可将第一FD区108的电压施加至用作第一源跟随管SF1的第一驱动晶体管的栅极。因此，可根据第一选择晶体管SEL1的导通/截止操作输出第一输出电压Vout1。
在当前示例实施例中，可将第二FD区110的电压施加至用作第二源跟随管SF2的第二驱动晶体管的栅极。因此，可根据第二选择晶体管SEL2的导通/截止操作输出第二输出电压Vout2。
可从一个单元像素输出两个输出电压Vout1和Vout2，并且可对两个输出电压Vout1和Vout2执行进一步数据处理，以获得最终输出电压。
相似地，单元像素可包括产生相对高灵敏度的第一有机光电二极管170和产生相对低灵敏度的第二有机光电二极管172二者，因此，可提供宽动态范围(WDR)数据。
图4示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。图5A和图5B示出了图4的图像传感器的单元像素的第一FD区和第二FD区的电压。
图5A示出了在低照度下第一FD区和第二FD区的电压，图5B示出了在高照度下第一FD区和第二FD区的电压。
除电连接至第一有机光电二极管和第二有机光电二极管的晶体管之外，图4的图像传感器的单元像素可基本上与图1的图像传感器相同。
参照图4，各个单元像素可包括分别具有高灵敏度和低灵敏度的第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172。第一有机光电二极管170可电连接至具有第一电容的第一TSV 130，第二有机光电二极管172可电连接至具有大于第一电容的第二电容的深沟槽隔离图案140。
在当前示例实施例中，从第一有机光电二极管170产生的光电荷可扩散至第一FD区108中，并且可将第一FD区108的电压施加至用作第一源跟随管SF1的第一驱动晶体管的栅极。因此，可根据第一选择晶体管SEL1的导通/截止操作输出第一输出电压Vout1。
在当前示例实施例中，控制晶体管CT可连接至第二FD区110和第一驱动晶体管的栅极。因此，仅当控制晶体管CT导通时，才可将第二FD区110的电压施加至第一驱动晶体管的栅极。
如图5A所示，当低照度的光入射于第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172上时，第一FD区108的电压可大于第二FD区110的电压。因此，在低照度条件下可优选地通过具有高灵敏度的第一有机光电二极管170产生图像。因此，控制晶体管CT在低照度条件下可截止。
如图5B所示，当具有高照度的光入射于第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172上时，控制晶体管CT可被导通。因此，第一FD区108的光电荷可运动至第二FD区110。因此，第一FD区108的电压可减小，并且第二FD区110的电压可增大，从而第一FD区108和第二FD区110的电压可变得相等。类似地，当控制晶体管CT导通时，可通过第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172产生图像，并且图像传感器可具有低灵敏度。
图6A示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。图6B示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素的布局。
除了第二TSV和与深沟槽隔离图案的连接之外，图6A的图像传感器的单元像素可与图1的图像传感器的单元像素基本相同。
参照图6A和图6B，各个单元像素可包括分别具有高灵敏度和低灵敏度的第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172。
第一有机光电二极管170可电连接至具有第一电容的第一TSV130。第一TSV 130可用作具有第一电容的第一电容器CAP1。
第二TSV 132可从半导体衬底100的第二表面2延伸至半导体衬底100的第一表面1。第二TSV 132可通过第四过孔接触件152电连接至的第二有机光电二极管172。第二TSV132可电连接至半导体衬底100的第二表面2上的第二布线结构124。第二TSV 132可用作具有大于第一电容的第二电容的第二电容器CAP2。
第二TSV 132可布置在延伸穿过半导体衬底100的第三孔中。第二TSV 132可包括第三孔的侧壁上的第三绝缘间隔件132a和填充第三孔的内空间的第五导电图案132b。第三绝缘间隔件132a可包围第五导电图案132b的侧壁。
在当前示例实施例中，第二TSV 132可具有与第一TSV 130的宽度不同的宽度。在一些实施例中，第一TSV 130和第二TSV 132可具有基本相同的宽度。
第二TSV 132可具有从半导体衬底100的第二表面2朝着半导体衬底100的第一表面1逐渐减小的宽度。第二TSV 132在竖直方向上可不与半导体衬底100的第一表面1上的滤色器146重叠。
在当前示例实施例中，例如，第三绝缘间隔件132a可包括氧化硅和/或氮化硅。在一些实施例中，例如，第三绝缘间隔件132a可包括介电常数大于氮化硅的介电常数的金属氧化物。例如，金属氧化物可包括氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钛等，第二TSV 132可具有高电容。
例如，第五导电图案132b可包括掺杂的多晶硅。
在当前示例实施例中，第五导电图案132b的第一表面可与半导体衬底100的第二表面2间隔开，以便置于半导体衬底100的内部中。第二过孔接触件124c可从第二导电图案124b延伸至第五导电图案132b的第一表面。
第三绝缘间隔件132a可具有小于第一绝缘间隔件130a的第一厚度的厚度，从而第二电容器CAP2可具有相对增大的电容。
在当前示例实施例中，第一绝缘间隔件130a和第三绝缘间隔件132a可包括基本相同的材料。在一些实施例中，第一绝缘间隔件130a和第三绝缘间隔件132a可包括不同的材料，并且第三绝缘间隔件132a的介电常数可大于第一绝缘间隔件130a的介电常数。
可在从半导体衬底100的第二表面2延伸至半导体衬底100的第一表面1的第四孔中布置深沟槽隔离图案141。
深沟槽隔离图案141可包括第四孔的侧壁上的第二绝缘间隔件141a和填充第四孔的内空间的第四导电图案141b。深沟槽隔离图案141可具有从半导体衬底100的第二表面2朝着半导体衬底100的第一表面1逐渐减小的宽度。
深沟槽隔离图案141可不电连接至第二有机光电二极管172。因此，深沟槽隔离图案141可不用作第二电容器CAP2。
单元像素可包括电连接至第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172的晶体管。
在当前示例实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图1所示。在一些实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图4所示。
图7示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。
除了第二TSV和第二布线结构之外，图7的图像传感器的单元像素可与图1的图像传感器的单元像素基本相同。
参照图7，各个单元像素可包括分别具有高灵敏度和低灵敏度的第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172。第一有机光电二极管170可电连接至具有第一电容的第一TSV 130。
第二TSV 134可从半导体衬底100的第二表面2延伸至半导体衬底100的第一表面1。第二TSV 134可电连接至第二布线结构126。
第二TSV 134可包括第三绝缘间隔件134a和第五导电图案134b。
在当前示例实施例中，第三绝缘间隔件134a可具有与第一TSV130的第一绝缘间隔件130a的厚度基本相同的厚度。在一些实施例中，第三绝缘间隔件134a可具有小于第一绝缘间隔件130a的厚度的厚度。
在当前示例实施例中，第一绝缘间隔件130a和第三绝缘间隔件134a可包括基本相同的材料。在一些实施例中，第一绝缘间隔件130a和第三绝缘间隔件134a可包括不同的材料，并且第三绝缘间隔件134a的介电常数可大于第一绝缘间隔件130a的介电常数。
第二TSV 134可具有基本等于或大于第一TSV 130的第一电容的电容。
深沟槽隔离图案140可布置在从半导体衬底100的第二表面2延伸至半导体衬底100的第一表面1的第二孔中。深沟槽隔离图案140可包括第二孔的侧壁上的第二绝缘间隔件140a和填充第二孔的内空间的第四导电图案140b。
深沟槽隔离图案140可电连接至第二TSV 134。因此，深沟槽隔离图案140可具有大于第一电容的电容。
第二TSV 134和深沟槽隔离图案140可电连接至第二有机光电二极管172。通过第二布线结构126彼此连接的第二TSV 134和深沟槽隔离图案140可用作第二电容器CAP2。
第二TSV 134和深沟槽隔离图案140可连接至第二FD区110。第二电容器CAP2可具有大于第一电容的电容。
各个单元像素可包括电连接至第一有机光电二极管170和第二有机光电二极管172的晶体管。
在当前示例实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图1所示。在一些实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图4所示。
图8示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。图9示出了图8中的图像传感器的单元像素的第一FD区和第二FD区的电压。
除了第一有机光电二极管和第二有机光电二极管的下透明电极的上表面的面积之外，图8的图像传感器的单元像素可与图1的图像传感器的单元像素基本相同。
参照图8，各个单元像素可包括分别具有高灵敏度和低灵敏度的第一有机光电二极管170a和第二有机光电二极管172a。第一有机光电二极管170a可包括其上表面可具有第一面积的第一下透明电极160a。第二有机光电二极管172a可包括其上表面可具有小于第一面积的第二面积的第二下透明电极162a。
第一下透明电极160a的上表面的第一面积相对大，如图9所示，因此通过第一有机光电二极管170a接收到的光的量可增加，以使得第一FD区FD1的电压可增大。因此，第一有机光电二极管170a的灵敏度可增加。第二下透明电极162a的上表面的第二面积相对小，因此通过第二有机光电二极管172a接收到的光的量可减少，从而第二FD区FD2的电压可降低。因此，第二有机光电二极管172a的灵敏度可降低。
各个单元像素可包括电连接至第一有机光电二极管170a和第二有机光电二极管172a的晶体管。
在当前示例实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图1所示。在一些实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图4所示。
类似地，图6A和图7的单元像素可包括如下的第二下透明电极，该第二下透明电极的上表面可具有比第一下透明电极的上表面的面积更小的面积。
图10示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。图11A和图11B示出了图10中的图像传感器的单元像素的第一FD区和第二FD区的电压。
参照图10，各个单元像素可包括单个有机光电二极管173。所述单个有机光电二极管173可具有包括按次序堆叠的下透明电极163、有机层164和上透明电极层166的堆叠结构。下透明电极163可在竖直方向上与滤色器146重叠。下光电转换元件200可布置在半导体衬底100中。
连接至有机光电二极管173的电容器可具有根据光的照度改变的电容，因此，有机光电二极管173可具有根据光的照度改变的灵敏度。
连接至有机光电二极管173的第一TSV 130可用作第一电容器CAP1，第一电容器CAP1可具有第一电容。
第一TSV 130可连接至半导体衬底100的第二表面2上的第一布线结构120。
不直接连接至有机光电二极管173的深沟槽隔离图案140可用作第二电容器CAP2，第二电容器CAP2可具有小于第一电容的第二电容。
深沟槽隔离图案140可连接至半导体衬底100的第二表面2上的第二布线结构122。深沟槽隔离图案140可通过第二布线结构122连接至第二FD区110。
各个单元像素可包括电连接至有机光电二极管173以及第一电容器CAP1和第二电容器CAP2的晶体管。晶体管可连接至第一布线结构120和/或第二布线结构122。晶体管可形成在半导体衬底100上，如图1所示。在一些实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图4所示。
如图11A所示，当具有低照度的光入射于图像传感器上时，有机光电二极管173可具有高灵敏度。因此，控制晶体管CT可截止，以仅使得具有低电容的第一电容器CAP1可连接至有机光电二极管173。在这种情况下，第一FD区108的电压可由于通过有机光电二极管173接收到的光而增大。随着连接至有机光电二极管173的电容器的电容减小，有机光电二极管173可具有高灵敏度。
如图11B所示，当具有高照度的光入射于图像传感器上时，有机光电二极管173可具有低灵敏度。因此，控制晶体管CT可截止，以使得第一电容器CAP1和第二电容器CAP2二者可连接至有机光电二极管173。在这种情况下，来自第一FD区108的光电荷可移动至第二FD区110。因此，第一FD区108的电压可减小并且第二FD区110的电压可增大，从而第一FD区108和第二FD区110的电压可变得基本彼此相等。类似地，当控制晶体管CT导通时，连接至有机光电二极管173的电容器的电容可增大以使得有机光电二极管173可具有低灵敏度。根据控制晶体管的开关操作，图像传感器的单元像素可包括具有低灵敏度或高灵敏度的一个有机光电二极管。
图12示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。图13示出了连接至每个单元像素的晶体管。图14A、图14B和图14C示出了在图10中的晶体管的对应节点的电压。
除了各个单元像素中的有机光电二极管173和电连接至第一电容器和第二电容器的晶体管之外，图12的图像传感器可与图10的图像传感器基本相同。因此，图12的有机光电二极管、第一TSV、深沟槽隔离图案以及第一布线结构和第二布线结构可与图10中的基本相同。
参照图12，从单元像素的有机光电二极管173产生的光电荷可扩散至中第一FD区108，并且可将第一FD区108的电压施加至用作第一源跟随管SF1的第一驱动晶体管的栅极。因此，可根据第一选择晶体管SEL1的导通/截止操作输出第一输出电压Vout1。
可将第一FD区108的电压施加至放大器晶体管10的栅极。可将放大器晶体管10的输出信号施加至连接至第二FD区110的晶体管12的栅极。可将第一FD区108的电压作为包括复位栅极(RG)的复位晶体管的源电压供应，因此，存储在第二FD区110中的光电荷可根据复位晶体管的导通/截止操作移动。
可根据入射至有机光电二极管173上的光的量控制第二电容器CAP2的连接。
参照图13和图14A，当低照度的光或没有光入射至有机光电二极管173上时，第一FD区FD1可具有低电压，从而放大器晶体管10可导通。当放大器晶体管10导通时，可将等于或大于阈电压的电压施加至连接至第二FD区FD2的晶体管12。因此，第一FD区FD1和第二FD区FD2可不彼此连接，并且第一FD区FD1的光电荷可不移动。
参照图14B，当入射于有机光电二极管173上的光的量增加时，第一FD区FD1的电压可增大，因此，可将低电压施加至连接至第二FD区FD2的晶体管。
然而，当高照度的光入射至有机光电二极管173上时，第一FD区FD1的电压可充分增大，以使得放大器晶体管10可截止。当放大器晶体管10截止时，可将小于阈电压的电压施加至连接至第二FD区FD2的晶体管12，从而晶体管12的栅极可导通。因此，第一FD区FD1和第二FD区FD2可彼此连接，并且第一FD区FD1的光电荷可运动至第二FD区FD2。因此，第一FD区FD1的电压可减小，并且第二FD区FD2的电压可增大，从而第一FD区FD1和第二FD区FD2的电压可变得彼此相等。
类似地，可根据入射至有机光电二极管173上的光的量控制第一FD区FD1与第二FD区FD2之间的连接。当低照度的光入射时，第一FD区FD1和第二FD区FD2可不彼此连接，并且第一FD区FD1可连接至第一电容器CAP1，从而图像传感器可具有高灵敏度。当高照度的光入射时，第一FD区FD1和第二FD区FD2可彼此连接，并且第一FD区FD1可连接至第一电容器CAP1和第二电容器CAP2，从而图像传感器可具有低灵敏度。
图15示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。
图15的单元像素可与图12的单元像素基本相同，不同的是第二TSV和深沟槽隔离图案的连接。
参照图15，每个单元像素可包括有机光电二极管173。有机光电二极管173可连接至第一TSV 130。第一TSV 130可用作具有第一电容的第一电容器CAP1。第一TSV 130可连接至半导体衬底100的第二表面2上的第一布线结构120。
第二TSV 132可连接至半导体衬底100的第二表面2上的第二布线结构124。第二TSV 132可不电连接至有机光电二极管173。第二TSV 132可用作具有大于第一电容的第二电容的第二电容器CAP2。
深沟槽隔离图案140可延伸通过半导体衬底100。深沟槽隔离图案140可不电连接至有机光电二极管173和单元像素中的布线结构。因此，深沟槽隔离图案140可不用作第二电容器。
第一布线结构120可电连接至第一TSV 130，第二布线结构124可电连接至第二TSV132。
单元像素可包括电连接至有机光电二极管173的晶体管。在当前示例实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图10所示。在一些实施例中，晶体管可形成在半导体衬底100上，如图12所示。
图16示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。
图16的单元像素可包括有机光电二极管和硅光电二极管。
参照图16，有机光电二极管173可连接至用作第一电容器的第一TSV 130。第一TSV130可连接至半导体衬底100的第二表面2上的第一布线结构120。第一布线结构120可连接至第一FD区108。
硅光电二极管202可连接至第三布线结构204。
深沟槽隔离图案140可用作具有大于第一电容器CAP1的电容的电容的第二电容器CAP2。深沟槽隔离图案140可通过第二布线结构122连接至第二FD区110。深沟槽隔离图案140可不直接连接至有机光电二极管173。
深沟槽隔离图案140可连接至控制晶体管CT，并且可通过控制晶体管CT的开关操作电连接至第一布线结构120和第三布线结构204。
单元像素可包括电连接至有机光电二极管173的晶体管。另外，单元像素可包括电连接至硅光电二极管202的晶体管。
从有机光电二极管173产生的光电荷可扩散至第一FD区108，并且可将第一FD区108的电压施加至用作第一源跟随管SF1的第一驱动晶体管的栅极。因此，可根据第一选择晶体管SEL1的导通/截止操作输出第一输出电压Vout1。第二电容器CAP2可根据控制晶体管CT的导通/截止操作连接。
可将从硅光电二极管202产生的光电荷施加至用作第二源跟随管SF2的第二驱动晶体管的栅极。因此，可根据第二选择晶体管SEL2的导通/截止操作输出第二输出电压Vout2。第二电容器CAP2可根据控制晶体管CT的导通/截止操作连接。
类似地，第二电容器CAP2可连接至有机光电二极管173和硅光电二极管202，从而可控制图像传感器的灵敏度。因此，可有效地执行图像传感器的WDR。
图17示出了根据示例实施例的图像传感器的单元像素。
除了第二TSV和深沟槽隔离图案的连接之外，图17的单元像素可与图1的单元像素基本相同。
参照图17，有机光电二极管173可连接至用作第一电容器的第一TSV 130。第一TSV130可连接至半导体衬底100的第二表面2上的第一布线结构120。第一布线结构120可连接至第一FD区108。
硅光电二极管202可连接至第三布线结构204。
第二TSV 132可从半导体衬底100的第二表面2延伸至半导体衬底100的第一表面1。第二TSV 132可电连接至半导体衬底100的第二表面2上的第二布线结构124。第二TSV132可通过第二布线结构124连接至第二FD区110。第二TSV 132可不直接连接至有机光电二极管173。第二TSV 132可用作具有大于第一电容器CAP1的电容的电容的第二电容器CAP2。第二TSV 132可与图6A中的基本相同。
深沟槽隔离图案140可不直接连接至有机光电二极管173。因此，深沟槽隔离图案140可不用作第二电容器。
第二TSV 132可连接至控制晶体管CT，并且可通过控制晶体管CT的开关操作电连接至第一布线结构120和第三布线结构204。
单元像素可包括电连接至有机光电二极管173的晶体管。另外，单元像素可包括电连接至硅光电二极管202的晶体管。晶体管可与图16中的基本相同。
作为总结和回顾，有机图像传感器可具有小尺寸像素，并且可表现出减小的串扰和噪声。有机图像传感器可具有宽动态范围(WDR)功能，并且可提供几乎不受照度影响的良好图像。
如上所述，根据示例实施例，图像传感器可包括具有彼此不同的转换增益的多个光电二极管，因此可具有清晰图像。
本文已公开了示例实施例，虽然采用了特定术语，但是仅按照一般和描述性含义而非针对限制的目的使用和解释它们。在一些情况下，如本领域普通技术人员应该清楚的，除非另有说明，否则随着本申请的提交，结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可单独使用或者与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件联合使用。因此，本领域技术人员应该理解，在不脱离权利要求阐述的本发明的精神和范围的情况下，可作出各种形式和细节上的改变。

Claims (19)

1.一种图像传感器，包括：
衬底上的一个滤色器，所述滤色器的下表面与所述衬底的第一表面间隔开并且面对所述衬底的第一表面；
所述滤色器上的第一有机光电二极管，所述第一有机光电二极管面对所述滤色器的上表面；
所述滤色器上的第二有机光电二极管，所述第二有机光电二极管面对所述滤色器的上表面；
连接至所述第一有机光电二极管的第一电容器，所述第一电容器包括第一导电图案和第一绝缘间隔件，所述第一导电图案延伸穿过所述衬底，所述第一绝缘间隔件包围所述第一导电图案的侧壁并且具有第一厚度；以及
第二电容器，其连接至所述第二有机光电二极管，所述第二电容器包括第二导电图案和第二绝缘间隔件，所述第二导电图案延伸穿过所述衬底，所述第二绝缘间隔件包围所述第二导电图案的侧壁并且具有小于所述第一厚度的第二厚度，
其中，所述一个滤色器、所述第一有机光电二极管、所述第二有机光电二极管、所述第一电容器和所述第二电容器被提供为单元像素。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一电容器包括单元像素区中的第一硅通孔，所述第二电容器包括包围所述单元像素区的深沟槽隔离图案。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一硅通孔的宽度大于所述深沟槽隔离图案的宽度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一电容器具有第一电容，所述第二电容器具有大于所述第一电容的第二电容。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一电容器包括单元像素区中的第一硅通孔，所述第二电容器包括所述单元像素区中的第二硅通孔。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一有机光电二极管包括按次序堆叠的第一下透明电极、有机光电二极管层和上透明电极层，所述第二有机光电二极管包括按次序堆叠的第二下透明电极、所述有机光电二极管层和所述上透明电极层，并且
其中，所述有机光电二极管层和所述上透明电极层对于所述第一有机光电二极管和所述第二有机光电二极管是共同的。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第一下透明电极和所述第二下透明电极在同一平面上彼此间隔开，并且
其中，所述第一下透明电极连接至所述第一电容器，所述第二下透明电极连接至所述第二电容器。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第一下透明电极的上表面的面积实质上等于所述第二下透明电极的上表面的面积。
9.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第一下透明电极的上表面的面积大于所述第二下透明电极的上表面的面积。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
所述衬底中的第一浮动扩散区，所述第一浮动扩散区靠近所述衬底的第二表面，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对，所述第一浮动扩散区连接至所述第一电容器；
所述衬底的第二表面上的第一电路，所述第一电路连接至所述第一浮动扩散区；
所述衬底中的第二浮动扩散区，所述第二浮动扩散区靠近所述衬底的第二表面，所述第二浮动扩散区连接至所述第二电容器；以及
所述衬底的第二表面上的第二电路，所述第二电路连接至所述第二浮动扩散区。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
所述衬底中的第一浮动扩散区，所述第一浮动扩散区靠近所述衬底的第二表面，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对，所述第一浮动扩散区连接至所述第一电容器；
所述衬底中的第二浮动扩散区，所述第二浮动扩散区靠近所述衬底的第二表面，所述第二浮动扩散区连接至所述第二电容器；
所述衬底的第二表面上的第一电路，所述第一电路连接至所述第一浮动扩散区；以及
所述衬底的第二表面上的第二电路，所述第二电路连接至所述第二浮动扩散区，并且包括控制所述第二浮动扩散区与所述第一电路之间的电连接的控制晶体管。
12.一种图像传感器，包括：
衬底上的一个滤色器，所述滤色器与所述衬底的第一表面间隔开；
所述滤色器上的有机光电二极管，所述有机光电二极管面对所述滤色器的上表面；
第一电容器，其包括第一导电图案和第一绝缘间隔件，所述第一导电图案连接至所述有机光电二极管，并且延伸穿过所述衬底，所述第一绝缘间隔件包围所述第一导电图案的侧壁并且具有第一厚度；以及
第二电容器，其包括第二导电图案和第二绝缘间隔件，所述第二导电图案延伸穿过所述衬底，并且经由根据照度条件而工作的控制晶体管连接至与所述第一导电图案连接的所述有机光电二极管，所述第二绝缘间隔件包围所述第二导电图案的侧壁并且具有小于所述第一厚度的第二厚度，
其中，所述一个滤色器、所述有机光电二极管、所述第一电容器和所述第二电容器被提供为单元像素。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述第一电容器包括单元像素区中的第一硅通孔，所述第二电容器包括包围所述单元像素区的深沟槽隔离图案。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述第一电容器具有第一电容，所述第二电容器具有大于所述第一电容的第二电容。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括：
所述衬底中的第一浮动扩散区，所述第一浮动扩散区靠近所述衬底的第二表面，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对，所述第一浮动扩散区连接至所述第一电容器；
所述衬底中的第二浮动扩散区，所述第二浮动扩散区靠近所述衬底的第二表面，所述第二浮动扩散区连接至所述第二电容器；
所述衬底的第二表面上的第一电路，所述第一电路连接至所述第一浮动扩散区；以及
所述衬底的第二表面上的第二电路，所述第二电路连接至所述第二浮动扩散区，并且包括控制所述第二浮动扩散区与所述第一电路之间的电连接的所述控制晶体管。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括：
所述衬底中的半导体光电二极管；
所述衬底的第二表面上的布线结构，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对，所述布线结构电连接至所述半导体光电二极管；以及
所述衬底的第二表面上的第三电路，所述第三电路连接至所述布线结构，
其中，所述第三电路通过所述控制晶体管电连接至所述第二电容器。
17.一种图像传感器，包括：
半导体衬底上的一个滤色器，所述滤色器的下表面与所述半导体衬底的第一表面间隔开并且面对所述半导体衬底的第一表面；
在同一平面上彼此间隔开的第一下透明电极和第二下透明电极，所述第一下透明电极和所述第二下透明电极面对所述滤色器的上表面；
所述第一下透明电极和所述第二下透明电极上的有机光电二极管层；
所述有机光电二极管层上的上透明电极层；
延伸穿过所述半导体衬底的第一硅通孔，所述第一硅通孔连接至所述第一下透明电极；以及
延伸穿过所述半导体衬底的深沟槽隔离图案，所述深沟槽隔离图案连接至所述第二下透明电极，
其中，所述第一硅通孔包括第一导电图案和包围所述第一导电图案的第一绝缘间隔件，并且所述深沟槽隔离图案包括第二导电图案和包围所述第二导电图案的第二绝缘间隔件，并且
其中，所述第一绝缘间隔件的第一厚度大于所述第二绝缘间隔件的第二厚度，
其中，所述一个滤色器、所述第一下透明电极和所述第二下透明电极、所述有机光电二极管层、所述上透明电极层、所述第一硅通孔和所述深沟槽隔离图案被提供为单元像素。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述第一硅通孔具有第一电容，并且所述深沟槽隔离图案具有大于所述第一电容的第二电容。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，所述第一下透明电极的上表面的面积等于或大于所述第二下透明电极的上表面的面积。
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