CN110112157A - 一种图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括：像素单元，构成用于感光的阵列；所述像素单元包含多个光电二极管，且所述光电二极管之间的间隔大于等于预设间隔阈值，以使所吸收的特定波长的光局限在所述光电二极管的内部。

Description

一种图像传感器

技术领域

本申请涉及光电二极管技术，涉及但不限于一种图像传感器。

背景技术

随着像素变得越来越小，像素之间抗干扰能力减弱，产生错误的颜色，这个现象被称为串扰，光电二极管会将光转化成为电荷信号，而这些电荷可能会到相邻的像素，造成干扰而影响影像的色彩。在相关技术中，采用金属栅格层和介质栅格层去降低像素串扰，在像素之间加入栅格层去降低像素串扰，金属对光存在反射和吸收，降低了光的利用率。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种图像传感器。

本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请实施例提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：

像素单元，构成用于感光的阵列；

所述像素单元包含多个光电二极管，且所述光电二极管之间的间隔大于等于预设间隔阈值，以使所吸收的特定波长的光局限在所述光电二极管的内部。

本申请实施例提供一种图像传感器，包括：像素单元，构成用于感光的阵列；所述像素单元包含多个光电二极管，且所述光电二极管之间的间隔大于等于预设间隔阈值，以使所吸收的特定波长的光局限在所述光电二极管的内部；如此，通过将设置光电二极管之间的间隔大于预设间隔阈值，使得不同的二极管吸收不同波长的光，从而不仅能够降低光电二极管之间的串扰，还可以增强光的局域性，提高了光的利用率。

附图说明

图1为本申请实施例图像传感器的组成结构示意图；

图2A为本申请实施例光电二极管的组成结构示意图；

图2B为本申请实施例像素单元的组成结构示意图；

图3A为本申请实施例的像素单元的另一组成结构示意图；

图3B为本申请实施例光电二极管的金属布线的结构示意图；

图4为本申请实施例图像传感器的组成结构示意图；

图5为本申请实施例提供的图像传感器的组成结构示意图。

具体实施方式

在对本申请实施例的技术方案进行详细说明之前，首先对本申请实施例的数据传输方法应用的系统架构进行简单说明。本申请实施例的数据传输方法应用于三维视频数据的相关业务，该业务例如是三维视频数据分享的业务，或者基于三维视频数据的直播业务等等。在这种情况下，由于三维视频数据的数据量较大，分别传输的深度数据和二维视频数据在数据传输过程中需要较高的技术支持，因此需要移动通信网络具有较快的数据传输速率，以及较稳定的数据传输环境。

本申请实施例提供一种图像传感器，图1为本申请实施例图像传感器的组成结构示意图，如图1所示，所述图像传感器，包括：

像素单元101，构成用于感光的阵列；

所述像素单元包含多个光电二极管(即二极管102至n)，且所述光电二极管之间的间隔大于等于预设间隔阈值，以使所吸收的特定波长的光局限在所述光电二极管的内部。

这里，所述预设间隔阈值使所述光电二极管之间的耦合度低于预设值；也就是说，当相邻光电二极管之间的间隔满足预设间隔阈值时，相邻光电二极管之间的耦合小于预设耦合值；这样保证了相邻的光电二极管在吸收光时，互不影响，从而以减少像素之间的干扰。

所述多个光电二极管至少为两个，所述多个光电二极管的直径不完全相同，即这多个光电二极管中有些二极管直径相同，有些不同，如图3A所示，二极管303和304对应的直径相同，但是与二极管301的直径不同。而且在本实施例中，多个光电二极管中相邻的光电二极管的直径不同，而且光电二极管吸收的特定波长为单一波长，即光电二极管的直径不同吸收的光的波长不同；如图3A所示，二极管301分别与二极管303和二极管304相邻，将二极管301设置为与二极管303和二极管304直径不同的二极管；这样保证相邻的二极管吸收的光的波长不同。

在一些具体的例子中，图像传感器的一个像素单元中包括4个光电二极管，每一光电二极管为亚波长的圆柱形光电二极管；如图3A所示，图像传感器的一个像素单元中4个圆柱形光电二极管(即二极管301至304)。

在本申请实施例中，通过将设置光电二极管之间的间隔大于预设间隔阈值，使得不同的二极管吸收不同波长的光，从而不仅能够降低光电二极管之间的串扰，还可以增强光的局域性，提高了光的利用率。

本申请实施例提供一种图像传感器，图2A为本申请实施例光电二极管的组成结构示意图，如图2A所示，所述光电二极管，包括：

衬底201，用于支撑光电二极管的电气性能。

硅柱202，底面为所述衬底，用于在所述硅柱内注入预设量的磷离子(p离子)203，以形成反型层204。

这里，所述光电二极管可以是P型光电二极管，在p型圆柱形Si柱202注入n阱后(即在p型圆柱形硅柱202注入磷离子203)，形成光电二极管的PN结，在圆柱形硅柱的表面注入预设量的p离子，即可形成反型层。比如，在p型圆柱形硅柱202加入P离子之后，便产生正向电压，而正向电压产生的电场是排斥空穴而吸引电子的，这样使光电二极管的栅极附近的衬底中的空穴被排斥，同时P型衬底中的电子被吸引到栅极下的衬底表面，但当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型圆柱形硅柱表面便形成了一个N型薄层，即反型层。

所述反型层204位于所述硅柱202内部，用于与所述硅柱202内的空穴205复合，以消除掉所述硅柱202中的部分电子；

这里，由于在圆柱形硅柱202内注入大量的磷离子，即对圆柱形硅柱202的表面进行了截断，这样在截断面处存在一些表面碳，从而产生电子越级导致了等截面的存在，就会产生表面电流；在本实施例中，通过反型层与空穴复合的方式清除掉电子的中间能级，从而降低表面电流。

耗尽层206位于所述硅柱202内部，且所述耗尽层206的底部到达所述衬底201。

这里，由于衬底201的低掺杂，耗尽层206将会到达衬底边缘。

在本申请实施例中，因为相邻光电二极管之间设置了满足预设间隔阈值的距离，因此不再需要注入p阱去隔离光电二极管的外围，而且由于衬底的低掺杂，从而耗尽层将会到达p衬底边缘，使得该光电二极管可以获得较大的光转换量。

本申请实施例提供一种图像传感器，图2B为本申请实施例像素单元的组成结构示意图，如图2B所示，所述像素单元210，包括：

光电二极管211至214，光电二极管211至214的直径不完全相同，且相邻的光电二极管的直径不同。

转移晶体管215，用于将感光阵列产生的电荷转移到浮动扩散区217。

这里，比如，利用电源218将转移晶体管215接通之后，通转移晶体管215将光电二极管中的电荷转移到浮动扩散区；浮动扩散区用于存储多个光电二极管中的电荷。

读出电路216，用于读出转移到所述浮动扩散区中的电荷。

这里，读出电路216将存储在浮动扩散区中的电荷输出。

读出电路216还包括：

复位晶体管261，与所述浮动扩散区连接，用于复位所述浮动扩散区。

放大晶体管262，与所述浮动扩散区连接，用于放大所述浮动扩散区中的电荷，得到放大的电荷。

选择晶体管263，与所述放大晶体管262连接，用于读出所述放大的电荷到输出电路。

所述输出电路264，与所述选择晶体管263连接，用于输出所述放大的电荷。

在本申请实施例中，为图像传感器的一个像素单元设置多个直径完全相同的光电二极管，并将该多个光电二极管连接同一个读出电路，即该多个光电二极管中的电荷从一个输出电路中输出，这样可以将一个像素单元看作是一个模块，即通过多个光电二极管收集光，然后通过一个读出电路，将多个光电二极管的电荷输出。

在相关技术中，采用的是像素隔离技术，简单说就是在像素之间建立隔离增加光线利用率降低像素之间的干扰，或者是在光电二极管上形成金属板，以减少像素之间的干扰；但是这样需要在像素之间加入栅格层去降低像素串扰，金属对光存在反射和吸收，降低了光的利用率。

基于此，本申请实施例提供了一种降低像素串扰的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)光电二极管结构。所述结构包括：CMOS光电二极管由特定直径的圆柱形构成，像素阵列中每个光电二极管的间隔在100纳米(nm)以上。当光照射在圆柱形光电二极管上时，特定波长的光会被特定直径的圆柱形光电二极管吸收并局域在光电二极管的内部，相邻二极管之间由于间距较远，使得相邻之间的耦合几乎为0，从而降低了像素之间的串扰。

如图3A所示，图像传感器的每个像素单元中含有4个圆柱形光电二极管(二极管301对应的直径60nm左右，二极管302对应的直径90nm，二极管303和304对应的直径120nm))，通过圆柱形光电二极管结构的光学共振分别可以吸收RGB三个波长的光。像素阵列中每个光电二极管的间隔在100nm以上。不同直径的圆柱形光电二极管会吸收不同波长的光，对于其他波长的光几乎没有响应。由于光学共振效应的作用，红光会被局域在如图3A所示的红色光电二极管(二极管303和304)中，而蓝光和绿光则分别会局域在二极管301和302中，由于耦合非常的弱，使得像素之间的串扰非常的低。

在本实施例中，图3A中的二极管301至304的金属布线图，如图3B所示，二极管301的金属布线图为311，二极管302的金属布线图为312，二极管303和304的金属布线图为313；从图3B可以看出，二极管310至304的金属布线图均相同，从而保证了二极管301至304可以共用一个读出电路。

本申请实施例利用亚波长尺度的圆柱形光电二极管结构的光学共振，对特定频率范围内的光响应非常敏感，增强了光的局域性，降低了像素之间的串扰。在光电二极管结构中衬底的相互隔离也会降低衬底中可能存在的扩散的暗电流。

具体地，每四个像素共用一个读出电路，图4为本申请实施例图像传感器的组成结构示意图，以图像传感器的像素单元中包括两个光电二极管为例，如图4所示，在p型圆柱形光电二极管401的硅柱和p型圆柱形光电二极管402的硅柱中分别注入n阱403和n阱404后，形成光电二极管的PN结，在表面注入一层高浓度的p离子405(磷离子)作为反型层451，反型层451通过与空穴452复合的方式清除掉电子的中间能级，从而降低表面电流。在图4中，转移晶体管406，用于当接通转移晶体管406时，将光电二极管401中的电荷传输到悬浮扩散区453处，以使悬浮扩散区453将电荷传输到放大晶体管454，以对该电荷进行放大，然后，将放大后的电荷传输给选择晶体管455，读出所述放大的电荷到输出电路456。同理，转移晶体管407，用于当当采用电源457采用电源457接通转移晶体管407时，将光电二极管402中的电荷传输到浮动扩散区453处，以使浮动扩散区453将电荷传输到放大晶体管454，以对该电荷进行放大；然后，将放大后的电荷传输给选择晶体管455，读出所述放大的电荷到输出电路456。对于存储的电荷在浮动扩散区453，通过复位晶体管458，复位所述浮动扩散区453；这样光电二极管401和光电二极管402中的电荷均从同一个输出电路459输出。

在本申请实施例中，由于相邻光电二极管之间由于空间上分隔开来，因此不再需要注入p阱去隔离光电二极管的外围。同时由于p衬底的低掺杂，这样的话耗尽层将会到达p衬底边缘。因此也可以获得较大的光转换量。

在本申请实施例中，利用光学共振局域的方式将不同颜色的光限制在不同直径的圆柱形光电二极管中，从而降低了像素之间的串扰，同时由于像素间的空间隔离进一步增强了像素之间的光学隔离，同样可以降低像素之间的串扰。此外，光电二极管的电路的隔离也可以降低电路的串扰，还可以有效地降低像素之间的串扰。

基于前述的实施例，本发明实施例提供一种电子设备，图5为本申请实施例提供的图像传感器的组成结构示意图，如图5所示，所述图像传感器500包括：

像素单元501，构成用于感光的阵列；

所述像素单元包含多个光电二极管511，且所述光电二极管511之间的间隔大于等于预设间隔阈值，以使所吸收的特定波长的光局限在所述光电二极管511的内部。

在其他实施例中，所述预设间隔阈值使所述光电二极管之间的耦合度低于预设值。

在其他实施例中，所述光电二极管的形状满足特定形状，以使光沿着所述特定形状的任一方向产生的偏振之间的差值小于预设差值。

在其他实施例中，所述光电二极管为亚波长的圆柱形光电二极管。

在其他实施例中，所述多个光电二极管的直径不完全相同。

在其他实施例中，所述多个光电二极管中相邻的光电二极管的直径不同。

在其他实施例中，所述光电二极管吸收的特定波长为单一波长。

在其他实施例中，所述光电二极管包括：

衬底；

硅柱，底面为所述衬底，用于在所述硅柱内注入预设量的磷离子，以形成反型层；

所述反型层位于所述硅柱内部，用于与所述硅柱内的空穴复合，以消除掉所述硅柱中的部分电子；

耗尽层位于所述硅柱内部，且所述耗尽层的底部到达所述衬底。

在其他实施例中，所述像素单元还包括：

转移晶体管，用于将感光阵列产生的电荷转移到浮动扩散区；

读出电路，用于读出转移到所述浮动扩散区中的电荷。

在其他实施例中，所述读出电路，包括：

复位晶体管，与所述浮动扩散区连接，用于复位所述浮动扩散区；

放大晶体管，与所述浮动扩散区连接，用于放大所述浮动扩散区中的电荷，得到放大的电荷；

选择晶体管，与所述放大晶体管连接，用于读出所述放大的电荷到输出电路；

所述输出电路，与所述选择晶体管连接，用于输出所述放大的电荷。

需要说明的是：上述实施例提供的电子设备在进行图像采集时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将电子设备的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。

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。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本申请上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者手机等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是：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。

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)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

像素单元，构成用于感光的阵列；

所述像素单元包含多个光电二极管，且所述光电二极管之间的间隔大于等于预设间隔阈值，以使所吸收的特定波长的光局限在所述光电二极管的内部。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述预设间隔阈值使所述光电二极管之间的耦合度低于预设值。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述光电二极管的形状满足特定形状，以使光沿着所述特定形状的任一方向产生的偏振之间的差值小于预设差值。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述光电二极管为亚波长的圆柱形光电二极管。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述多个光电二极管的直径不完全相同。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述多个光电二极管中相邻的光电二极管的直径不同。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述光电二极管吸收的特定波长为单一波长。

8.根据权利要求1至3任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管包括：

衬底；

硅柱，底面为所述衬底，用于在所述硅柱内注入预设量的磷离子，以形成反型层；

所述反型层位于所述硅柱内部，用于与所述硅柱内的空穴复合，以消除掉所述硅柱中的部分电子；

耗尽层位于所述硅柱内部，且所述耗尽层的底部到达所述衬底。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括：

转移晶体管，用于将感光阵列产生的电荷转移到浮动扩散区；

读出电路，用于读出转移到所述浮动扩散区中的电荷。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述读出电路，包括：

复位晶体管，与所述浮动扩散区连接，用于复位所述浮动扩散区；

放大晶体管，与所述浮动扩散区连接，用于放大所述浮动扩散区中的电荷，得到放大的电荷；

选择晶体管，与所述放大晶体管连接，用于读出所述放大的电荷到输出电路；

所述输出电路，与所述选择晶体管连接，用于输出所述放大的电荷。