CN110049261A - 一种像素结构、图像传感器及终端 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种像素结构，所述像素结构包括：至少一个光电二极管和读出电路；所述至少一个光电二极管的感光区域与所述像素结构的进光口相对，用于吸收至少一种特定波长的光信号，将吸收到的光信号转化为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电二极管所能吸收的特定波长的光信号不同；所述读出电路与所述至少一个光电二极管相连，用于读出所述至少一个光电二极管的电信号。本申请实施例中还提供了一种包含上述像素结构的图像传感器及终端。

Description

一种像素结构、图像传感器及终端

技术领域

本申请涉及图像技术，尤其涉及一种像素结构、图像传感器及终端。

背景技术

互补金属氧化物半导体图像传感器(Complementary Metal OxideSemiconductor Image Sensor，CIS)是一种图形收集处理半导体器件，光电二极管(Photo-Diode，PD)作为光电转换器件应用于CIS中，使得CIS实现将光信号转化成电信号进行存储和显示。

现有的CIS需要基于较大的CIS尺寸去获得较高的像素数，比如，索尼公司的IMX586，其1/2英寸的传感器像素数为4800万，CIS中每英寸的像素数量已经接近极限，若再减小像素尺寸PD的量子效率也会随之降低，影响成像效果。因此，CIS无法满足高像素小尺寸的要求，导致配置有CIS的摄像头模组的整体尺寸偏大。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例期望提供一种像素结构、图像传感器及终端，能够使图像传感器满足小尺寸高像素的要求。

本申请的技术方案是这样实现的：

第一方面，提供了一种像素结构，其特征在于，所述像素结构包括：至少一个光电二极管和读出电路；

所述至少一个光电二极管的感光区域与所述像素结构的进光口相对，用于吸收至少一种特定波长的光信号，将吸收到的光信号转化为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电二极管所能吸收的特定波长的光信号不同；

所述读出电路与所述至少一个光电二极管相连，用于读出所述至少一个光电二极管的电信号。

上述方案中，所述至少一个光电二极管具体用于根据感光区域的共振波长吸收至少一种特定波长的光信号；其中，所述共振波长为所述光电二极管的感光区域发生共振吸收时的波长；不同尺寸的感光区域对应不同的共振波长。

上述方案中，所述像素结构包括至少两个光电二极管时，所述至少两个光电二极管用于将至少两种特定波长的光信号转化为电信号。

上述方案中，所述至少一个光电二极管包括：第一类光电二极管、第二类光电二极管和第三类光电二极管；其中，所述第一类光电二极管的感光区域尺寸为第一尺寸，用于吸收第一种特定波长的光信号；所述第二类光电二极管的感光区域尺寸为第二尺寸，用于吸收第二种特定波长的光信号；所述第三类光电二极管的感光区域尺寸为第三尺寸，用于吸收第三种特定波长的光信号。

上述方案中，所述第一种特定波长的光信号为蓝光，所述第二种特定波长的光信号为绿光，所述第三种特定波长的光信号为红光时，所述第一尺寸小于所述第二尺寸，所述第二尺寸小于第三尺寸。

上述方案中，所述第一类光电二极管的数量、所述第二类光电二极管的数量与所述第三类光电二极管的数量不完全相同。

上述方案中，所述像素结构包含一个光电二极管时，所述像素还包括滤光片；所述滤光片位于所述光电二极管的感光区域与所述进光口之间，用于对所述进光口的入射光线进行过滤，得到一种能被所述光电二极管吸收的特定波长的光信号；所述感光区域的面积小于所述进光口的横截面积。

上述方案中，所述光电二极管形状为圆柱；其中，所述光电二极管的感光区域为所述圆柱的其中一个圆形底面。

第二方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括上述任一种所述的像素结构。

第三方面，提供了一种终端，所述终端包括上述图像传感器。

采用上述技术方案，像素结构中包含至少一个光电二极管，通过调整光电二极管的感光区域尺寸，使至少一个光电二极管吸收至少一种特定波长的光信号，且能够保证光电二极管具有较高的量子效率。如此，解决了像素结构尺寸太小导致的光电二极管量子效率过低的问题，满足了图像传感器的小尺寸高像素的要求。

附图说明

图1为本申请实施例中像素结构的组成结构示意图1；

图2为本申请实施例中像素结构的第一局部示意图；

图3为本申请实施例中像素结构的第一剖面示意图；

图4为本申请实施例中像素结构的第二局部示意图；

图5为本申请实施例中像素结构的第二剖面示意图；

图6为本申请实施例中像素结构的第三局部示意图；

图7为本申请实施例中图像传感器的组成结构示意图；

图8为本申请实施例中终端的组成结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

实施例一

在实际应用中，像素结构作为图像传感器的重要组成部分，能够完成对接收到的自然光进行光电转换，从而得到电信号，然而，像素结构的像素尺寸大约为600nm左右时，光电二极管的拥有较高量子效率，像素结构的尺寸减小，使光电二极管的感光区域面积减小从而使光电二极管的量子效率降低，影响图像传感器的成像效果。

这里，量子效率是衡量某个颜色通道某个频率/波长的光子转换成电子的效率，传统的像素结构，随着像素尺寸的不断缩减，光电二极管的感光区域面积也随着减小，使得光电二极管的电荷收集势阱中可容纳的最大信号电荷量即满阱容量(简称，阱容量)受到抑制，阱容量受到抑制使得小尺寸像素的动态范围、信噪比和灵敏度等指标恶化，而这些指标都将直接影响小尺寸像素的成像质量。

为了满足图像传感器的小尺寸高像素的要求，本申请实施例提供了一种图像传感器中的像素结构。如图1所示，像素结构10，包括至少一个光电二极管101和读出电路102；其中，

所述至少一个光电二极管101的感光区域与所述像素结构的进光口相对，用于吸收至少一种特定波长的光信号，将吸收到的光信号转化为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电二极管所能吸收的特定波长的光信号不同；

所述读出电路102与所述至少一个光电二极管101相连，用于读出所述至少一个光电二极管的电信号。

入射光穿过进光口进入到像素结构内部，被光电二极管101吸收后转化为电信号，读出电路102读出光电二极管的电信号用于颜色感知。

其中，所述至少一个光电二极管具体用于根据感光区域的共振波长吸收至少一种特定波长的光信号；其中，所述共振波长为所述光电二极管的感光区域发生共振吸收时的波长；不同尺寸的感光区域对应不同的共振波长。

这里，当像素结构中呈正方形的进光口的边长小于特定波长时，为了防止特定波长被衍射掉，本申请实施例利用光电二极管的感光区域的共振吸收特性，使得光电二极管根据其感光区域的共振波长对特定波长进行吸收。

实际应用中，光电二极管的感光区域可以为光电二极管的上表面，光电二极管的共振波长与光电二极管的感光区域的折射率和尺寸有关，所以，可以通过调整感光区域的折射率，和/或，感光区域的尺寸，来调整光电二极管的共振波长。

本申请实施例中，通过调整光电二极管的感光区域尺寸来调整共振波长，以使得特定波长在光电二极管的感光区域的共振波长范围之内，这样，得到的较小尺寸光电二极管能够对特定波长的光信号实现共振吸收，使得其在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。

为了减小光电二极管之间的耦合，在一些实施例中，光电二极管为柱体，比如，圆柱、棱柱。柱体的上表面为感光区域，感光区域可以为规则形状或不规则形状，比如，感光区域为正多边形。柱形体感光区域的面积小于进光口的横截面积。

可选的，所述光电二极管形状为圆柱；其中，所述光电二极管的感光区域为所述圆柱的其中一个圆形底面。圆形底面的直径小于正方形进光口的边长，比如，正方形进光口的边长为100nm，圆形底面直径为70nm。

可选的，所述光电二极管形状为正四棱柱；其中，所述光电二极管的感光区域为所述正四棱柱的其中一个正方形底面。正方形底面的边长小于正方形进光口的边长，比如，正方形进光口的边长为100nm，圆形底面直径为70nm。

也就是说，在制作图像传感器时，需要将每个像素结构中的光电二极管与相邻像素结构的光电二极管之间留有间隔，由于光电二极管发生共振吸收时会使得边缘场很强，增加间隔是为了防止相邻像素结构的光电二极管之间光的相互串扰。所以，在工艺上光电二极管采用感光区域面积小于进光口横截面积的柱形结构不仅可以实现对光的共振吸收，还可以更好的控制相邻两个光电二极管的间隔。

实际应用中，在像素结构尺寸小于特定波长时，只需要调整光电二极管的感光区域的尺寸，便可以得到不同的共振波长，使得特定波长的光通过共振吸收的方式被光电二极管吸收，使得其在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。

为了使光电二极管在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率，在一种可选的实施例中，特定波长在共振波长的范围之内。由于光电二极管的感光区域的共振波长与感光区域的形状有关，不同的形状的感光区域的共振波长可以是一个波长范围，其中，可以是特定波长的一部分位于共振波长的范围之内，也可以是特定波长全部在共振波长的范围之内。

针对上述特定波长来说，在一种可选的实施例中，特定波长的光包括以下任意一项：红光波长，绿光波长，蓝光波长。

也就是说，像素结构内不同光电二极管分别可以吸收红色、绿色或者蓝色。

在一些实施例中，所述像素结构包含一个光电二极管时，所述像素还包括滤光片；所述滤光片位于所述光电二极管的感光区域与所述进光口之间，用于对所述进光口的入射光线进行过滤，得到一种能被所述光电二极管吸收的特定波长的光信号；所述感光区域的面积小于所述进光口的横截面积。

实际应用中，上述滤光片可以是用于过滤红光的红色滤光片，也可以是用于过滤绿光的绿色滤光片，还可以是用于过滤蓝光的蓝色滤光片，这里，本申请实施例不作具体限定。

图2中示出了一种图像传感器，图像传感器20在1/3.6英寸的感光面上拥有40000*30000个像素，单个像素21局部放大图为正方形结构，单个像素中包含一个圆柱形PD，每个像素的正方形结构边长为100nm。图像传感器的每个像素中含有1个圆柱形PD，通过圆柱形PD结构的光电二极管的共振吸收特性吸收不同特定波长的光，比如，蓝光对应PD的底面直径为60nm，使得其在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。借助于这样的亚波长超小像素结构，可以在1/3.6英寸的单色图像传感器上实现12亿的像素数，展示了一种移动端超高像素的单色图像传感器的方法。适应性的调整圆柱形PD的底面直径，和像素的边框长度，像素能够吸收其他特定波长的光，比如，绿光对应PD底面直径为90nm，红光对应PD底面直径为120nm。

图3中示出了单个像素内部的纵向剖面示意图，像素21包括位于进光口下方的滤光片211，位于滤光片211下方的光电二极管212，以及与光电二极管212负极相连的金属排线213，这里，金属排线即为读出电路，用于读出光电二极管的电信号。

传统的像素结构一般也是包括滤光片和光电二极管，光电二极管的感光区域与滤光片基本等大同形，然而，针对小尺寸像素结构来说采用传统的光电二极管的结构，量子效率较低，为了使其拥有较高的量子效率，可以通过调整光电二极管的感光区域的共振波长的方式，这里，主要是通过缩小光电二极管的感光区域的面积，使得入射到光电二极管的上表面上的特定波长的光被共振吸收。

在一些实施例中，所述像素结构包括至少两个光电二极管时，所述至少两个光电二极管用于将至少两种特定波长的光信号转化为电信号。

传统的像素结构一般由三部分组成，分别是滤光片、光电二极管和金属排线，滤光片位于所述光电二极管的感光区域与所述进光口之间，用于对所述进光口的入射光线进行过滤，得到一种能被所述光电二极管吸收的特定波长的光信号；本申请实施例中给出了一个像素结构可以吸收至少两种的特定波长的光信号，而非只能吸收一种特定波长的光信号，这样单个像素结构感知的色彩更准确更丰富。

可选的，所述像素结构包括两种光电二极管，所述至少一个光电二极管包括：第一类光电二极管和第二类光电二极管；其中，所述第一类光电二极管的感光区域尺寸为第一尺寸，用于吸收第一种特定波长的光信号；所述第二类光电二极管的感光区域尺寸为第二尺寸，用于吸收第二种特定波长的光信号。这里，所述第一类光电二极管的数量和所述第二类光电二极管的数量相同或者不同。

可选的，所述像素结构包括三种光电二极管，所述至少一个光电二极管包括：第一类光电二极管、第二类光电二极管和第三类光电二极管；其中，所述第一类光电二极管的感光区域尺寸为第一尺寸，用于吸收第一种特定波长的光信号；所述第二类光电二极管的感光区域尺寸为第二尺寸，用于吸收第二种特定波长的光信号；所述第三类光电二极管的感光区域尺寸为第三尺寸，用于吸收第三种特定波长的光信号。这里，所述第一类光电二极管的数量、所述第二类光电二极管的数量与所述第三类光电二极管的数量相同或者不同。

这里，感光区域尺寸可以为感光区域直径、边长、对角线长度、周长和/或高度等用于表征感光区域形状的参数。

针对不同光电二极管的配置数量，配置所述第一类光电二极管的数量、所述第二类光电二极管的数量与所述第三类光电二极管的数量不完全相同时，通过改变不同种类光电二极管的数量，可以提高对某一种特定波长的光的吸收率。

也就是说，像素结构包含吸收不同颜色的光电二极管，比如RGB、RGGB、RRGB或者RGBB，这里，R表示吸收红光的光电二极管，G表示吸收绿光的光电二极管，B表示吸收蓝光的光电二极管，增加吸收同一种颜色的光电二极管数量是为了增强对改颜色光的吸收率。

图4示出了一种图像传感器及其像素结构，图像传感器40在1/3英寸的感光面上拥有12000*9000个像素，单个像素41局部放大图为正方形结构，每个像素的正方形结构边长为200nm。像素41中包括4个圆柱形PD，具体包括：一个第一类光电二极管411a，两个第二类光电二极管411b，一个第三类光电二极管411c，通过圆柱形PD结构的光电二极管的共振吸收特性分别吸收不同种特定波长的光，比如，第一类光电二极管吸收蓝光，蓝光对应PD的底面直径为60nm；第二类光电二极管吸收绿光，绿光对应PD底面直径为90nm，第三类光电二极管吸收红光，红光对应PD底面直径为120nm。使得其在较小尺寸的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。借助于这样的亚波长像素结构，可以在1/3英寸的图像传感器上实现1.08亿的像素数，在小感光区域下实现了大像素数的突破，对于减小摄像头模组体积和高度有着非常重要的作用。

图5中示出了单个像素内部的纵向结构示意图，像素41包括位于进光口的下方的不同位置的光电二极管，具体包括：第一类光电二极管411a，第二类光电二极管411b，第三类光电二极管411c，第一类光电二极管411a负极与金属排线412a相连，第二类光电二极管411b负极与金属排线412b相连，第三类光电二极管411c负极与金属排线412c相连，金属排线用于读出对应光电二极管的电信号。

图6还示出了另一种像素结构，图像传感器的每个小于等于400nm的亚波长像素(呈正方形的进光口的边长)内排布4个圆柱形PD，具体包括：一个第一类光电二极管411a，一个第二类光电二极管411b，两个第三类光电二极管411c，通过圆柱形PD结构的光电二极管的共振吸收特性分别吸收不同种特定波长的光，比如，第一类光电二极管吸收蓝光，蓝光对应PD的底面直径为60nm；第二类光电二极管吸收绿光，绿光对应PD底面直径为90nm，第三类光电二极管吸收红光，红光对应PD底面直径为120nm。利用亚波长像素彩色图像传感器的小尺寸特性可以极大减小摄像头模组中镜头镜筒的直径和镜头头部的大小，可以减少到具有相同像素的传统图像传感器(像素大小为800nm)所对应的模组的尺寸的1/4左右。用做前置时可以实现更高的屏占比，更接近与全面屏。

在另一些实施例中，特定波长还可以包括：青色光波长、品红色光波长、黄色光波长或者其他除了bayer阵列的常见滤色片组合或者互补色光的波长。

也就是说，像素结构内不同光电二极管可以分别吸收青色、品红色、黄色或者其他除了bayer阵列的常见滤色片组合或者互补色。

实际应用中，图像传感器可以为CIS图像传感器可以为CIS或电耦合器件(ChargedCoupled Device，CCD)。

采用上述技术方案，像素结构中包含至少一个光电二极管，通过调整光电二极管的感光区域尺寸，使至少一个光电二极管吸收至少一种特定波长的光信号，且能够保证光电二极管具有较高的量子效率。如此，解决了像素结构尺寸太小导致的光电二极管量子效率过低的问题，满足了图像传感器的小尺寸高像素的要求。

实施例二

图7为本申请实施例提供的一种可选的图像传感器的结构示意图，如图7所示，图像传感器70包括上述一个或多个实施例给出的像素结构701，多个像素结构按照特定的排列方式组成像素整列。实际应用中，图像传感器可以为CIS或CCD。

图8为本申请实施例提供的一种可选的终端的结构示意图，如图8所示，终端80包括上述实施例所述的图像传感器801。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种像素结构，其特征在于，所述像素结构包括：至少一个光电二极管和读出电路；

所述至少一个光电二极管的感光区域与所述像素结构的进光口相对，用于吸收至少一种特定波长的光信号，将吸收到的光信号转化为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电二极管所能吸收的特定波长的光信号不同；

所述读出电路与所述至少一个光电二极管相连，用于读出所述至少一个光电二极管的电信号。

2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述至少一个光电二极管具体用于根据感光区域的共振波长吸收至少一种特定波长的光信号；其中，所述共振波长为所述光电二极管的感光区域发生共振吸收时的波长；不同尺寸的感光区域对应不同的共振波长。

3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构包括至少两个光电二极管时，所述至少两个光电二极管用于将至少两种特定波长的光信号转化为电信号。

4.根据权利要求3所述的像素结构，其特征在于，所述至少一个光电二极管包括：第一类光电二极管、第二类光电二极管和第三类光电二极管；

其中，所述第一类光电二极管的感光区域尺寸为第一尺寸，用于吸收第一种特定波长的光信号；

所述第二类光电二极管的感光区域尺寸为第二尺寸，用于吸收第二种特定波长的光信号；

所述第三类光电二极管的感光区域尺寸为第三尺寸，用于吸收第三种特定波长的光信号。

5.根据权利要求4所述的像素结构，其特征在于，所述第一种特定波长的光信号为蓝光，所述第二种特定波长的光信号为绿光，所述第三种特定波长的光信号为红光时，所述第一尺寸小于所述第二尺寸，所述第二尺寸小于第三尺寸。

6.根据权利要求4所述的像素结构，其特征在于，所述第一类光电二极管的数量、所述第二类光电二极管的数量与所述第三类光电二极管的数量不完全相同。

7.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构包含一个光电二极管时，所述像素还包括滤光片；

所述滤光片位于所述光电二极管的感光区域与所述进光口之间，用于对所述进光口的入射光线进行过滤，得到一种能被所述光电二极管吸收的特定波长的光信号；

所述感光区域的面积小于所述进光口的横截面积。

8.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管形状为圆柱；其中，所述光电二极管的感光区域为所述圆柱的其中一个圆形底面。

9.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括上述权利要求1至8中任一项所述的像素结构。

10.一种终端，其特征在于，所述终端包括上述权利要求9中所述的图像传感器。