CN110310969B - 一种像素结构、cis和终端 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种像素结构，其中，该像素结构包括滤光片、至少一个PD和与至少一个PD相连接的读出电路；其中，像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值；像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离；滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光，至少一个PD中的每个PD用于根据每个PD的光接收面的共振波长，吸收特定波长的光，并将吸收到的光转换为电信号，读出电路用于读出电信号。本申请实施例还同时提供了一种CIS和终端。

Description

一种像素结构、CIS和终端
技术领域
本申请涉及终端中互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS，ComplementaryMetal Oxide Semiconductor Image Sensor)的像素结构的抗串扰技术，尤其涉及一种像素结构、CIS和终端。
背景技术
在CIS中，像素结构之间的抗干扰能力减弱，会产生错误的颜色，这种现象被称为串扰，在像素结构中，光电二极管(PD，Photo-Diode)会将吸收到的光转化成为电荷，形成电信号，而这些电荷可能会到相邻的像素结构中，造成干扰而影响影像的色彩。
目前，索尼公司SONY采用深槽隔离(DTI，Deep Trench Isolation)技术，就是在像素结构之间建立隔离增加光线利用率降低像素结构之间的干扰；三星公司则是利用ISOCELL技术在PD上形成金属板，以减少像素结构之间的干扰。
随着像素结构的尺寸变得越来越小，PD的结构也在变小，PD的光接收面的尺寸已经缩小到亚波长级别，现有的像素结构的隔离技术已经无法适用于小尺寸结构的PD；由此可以看出，现有的小尺寸结构的PD使得像素结构之间存在较严重的串扰，影响CIS的成像质量。
发明内容
本申请实施例提供一种像素结构、CIS和终端，旨在减小相邻像素结构之间的光学串扰。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供了一种像素结构，所述像素结构包括滤光片、至少一个光电二极管PD和与所述至少一个PD相连接的读出电路；其中，
所述像素结构与所述像素结构的至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值；所述像素结构与所述至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于所述像素结构与所述至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离；
所述滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光；
所述至少一个PD中的每个PD用于根据所述每个PD的光接收面的共振波长，吸收所述特定波长的光，并将吸收到的光转换为电信号；
所述读出电路用于读出所述电信号；
其中，所述共振波长为所述每个PD的光接收面发生共振吸收时的波长。
在上述像素结构中，所述特定波长包括以下任意一种类型的波长：红光波长，绿光波长，蓝光波长；
其中，所述像素结构的滤光片过滤得到的特定波长与所述至少一个相邻像素结构的滤光片过滤得到的特定波长为不同类型的波长。
在上述像素结构中，当所述至少一个PD包括至少两个PD时，所述至少两个PD中任意相邻的两个PD之间的间距的最小值为第二预设阈值。
在上述像素结构中，所述每个PD的光接收面的形状包括以下任意一项：圆形、正方形、三角形、五边形和六边形。
在上述像素结构中，所述每个PD的体积为圆柱体；
其中，所述每个光电二极管的光接收面为所述圆柱体的其中一个圆形底面；所述每个光电二极管的光接收面的共振波长与所述圆形底面的直径呈正相关性。
在上述像素结构中，当所述特定波长为蓝光波长，所述每个PD的光接收面的直径为60nm；
当所述特定波长为绿光波长，所述每个PD的光接收面的直径为90nm；
当所述特定波长为红光波长，所述每个PD的光接收面的直径为120nm。
在上述像素结构中，所述至少一个PD包括9个PD时，所述第二预设阈值为200nm，所述第一预设阈值为400nm。
在上述像素结构中，所述像素结构与所述至少一个相邻像素结构之间填充有隔离介质。
本申请实施例还提供了一种CIS，所述CIS包括上述一个或多个实施例所述的像素结构。
本申请实施例还提供了一种终端，所述终端包括上述一个或多个实施例所述的CIS。
本申请实施例提供了一种像素结构、CIS和终端，该像素结构包括滤光片、至少一个PD和与至少一个PD相连接的读出电路，其中，像素结构与像素结构的至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值；像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离，滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光，至少一个中的每个PD用于根据每个PD的光接收面的共振波长，吸收特定波长的光，并将吸收到的光转换为电信号，读出电路用于读出电信号；其中，共振波长为每个PD的光接收面发生共振吸收时的波长；也就是说，在本申请实施例中，由于每个PD都是根据共振波长对特定波长进行共振吸收，所以光吸收量增强，此时相邻像素结构之间吸收不同波长的光更容易产生串扰，为了避免串扰，这里，分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个PD之间的距离最小值设置为第一预设阈值，这样，控制两个相邻的像素结构之间最短的两个PD之间的距离，极大的降低了吸收不同波长的光的像素结构之间的耦合，从而降低了相邻像素结构之间的光学串扰，进而提高了CIS的信噪比。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种可选的像素结构的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种可选的四个像素结构的PD的俯视图；
图3为本申请实施例提供的与图2相对应的一种可选的四个像素结构的PD的侧视图；
图4为本申请实施例提供的与图2相对应的像素结构相对应的电路结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种可选的CIS的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种可选的终端的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
目前，在实际应用中，像素结构作为CIS的重要组成部分，降低CIS中相邻像素结构之间的串扰尤为重要，为了降低串扰，可以采用DTI技术在像素结构之间建立隔离增加光线利用率以降低像素结构之间的干扰；或者是利用ISOCELL技术在PD上形成金属板，以减少像素结构之间的干扰。
然而，为了能够完成对接收到的自然光进行光电转换，提高像素结构中PD的光吸收量，PD的结构尺寸越来越小，当PD的结构尺寸制作成亚波长级别时，可以利用共振吸收特性来提供PD的光吸收量，但是，现有的防止串扰的隔离技术已不再适用。
为了降低CIS中两个相邻像素结构之间的串扰，本申请实施例提供了一种像素结构，图1为本申请实施例提供的一种可选的像素结构的结构示意图，参考图1所示，该像素结构可以包括滤光片11、至少一个PD12和读出电路13；其中，
像素结构与像素结构的至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值；像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离；
其中，滤光片11用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光；至少一个PD12中的每个PD用于根据每个PD的光接收面的共振波长，吸收特定波长的光，并将吸收到的光转换为电信号；读出电路13用于读出所述电信号；其中，共振波长为每个PD的光接收面发生共振吸收时的波长。
上述像素结构中的每个PD利用自身光接收面的共振波长来吸收特定波长，其中，PD的光接收面的共振波长与PD的光接收面的折射率和PD的光接收面的尺寸有关，所以，可以通过调整PD的光接收面的折射率，和/或，调整PD的光接收面的尺寸，来调整PD的光接收面的共振波长。
通常，通过调整PD的光接收面的尺寸来调整PD的光接收面的共振波长，以使得特定波长在PD的光接收面的共振波长的范围之内，从而使得PD的光接收面对特定波长的光实现共振吸收；这样，能够提高每个PD的光吸收量，从而增大整个像素结构的光吸收量，同时也使得两个像素结构之间的串扰增强，影响图像质量。
具体来说，基于像素结构，针对每一个像素结构来说，都具有至少两个相邻的像素结构，其中，针对CIS中边界上的像素结构来说，具有2-3个相邻的像素结构，针对CIS中非边界上的像素结构来说，具有4个相邻的像素结构，为了降低像素结构之间的串扰，这里，可以将所有相邻的像素结构间的距离的最小值设置在第一预设阈值，也可以将所有相邻像素结构中部分相邻的像素结构间的距离设置在第二预设阈值，这里，本申请实施例不作具体限定。
这里，需要说明的是，上述像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离，具体来说，在两个相邻的像素结构中，找出间距最短的两个相邻PD，这两个相邻PD一个位于像素结构中，一个位于至少一个相邻像素结构中，这样，在保证间距最短的两个相邻PD之间的距离之后，可以使得该像素结构与至少一个相邻像素结构之间的间距控制在一定范围的间距外，从而可以降低两个相邻像素结构之间间距最短的两个相邻PD之间的串扰，从而也就降低了其他相邻像素结构之间的两个相邻PD之间的串扰。
另外，上述两个相邻PD的间距是指两个相邻PD的中心点之间的距离，例如，对于圆柱体结构的PD来说就是两个圆形底面的圆心之间的距离为两个相邻PD的间距。
这样，通过控制两个像素结构之间的间距可以降低两个像素结构之间的串扰，从而提高图像质量。
为了进一步降低图像色彩之间的串扰，在一种可选的实施例中，特定波长包括以下任意一种类型的波长：红光波长，绿光波长，蓝光波长；
其中，像素结构的滤光片过滤得到的特定波长与至少一个相邻像素结构的滤光片过滤得到的特定波长为不同类型的波长。
具体来说，CIS中的每个像素结构的滤光片可以为红色滤光片，用于过滤入射光得到红光波长；也可以为绿色滤光片，用于过滤入射光得到绿光波长；还可以为蓝色滤光片，用于过滤入射光得到蓝光波长；这里，本申请实施例不作具体限定。
需要说明的是，当两个相邻的像素结构之间的滤光片为不同类型的过滤片时，例如，像素结构的滤光片为红色滤光片，至少一个相邻像素结构的滤光片为绿色滤光片时，当两个像素结构的串扰较严重时，会影响图像的色彩，在本申请实施例中，控制像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值，将像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离增大，这样，极大地降低了具有不同类型的滤光片的像素结构中PD之间的耦合，能够将耦合降至几乎为0，从而降低了两个相邻像素结构之间的光学串扰。
在实际应用中，在同一个像素结构中相邻的两个PD之间也存在串扰，为了降低同一个像素结构中的串扰，在一种可选的实施例中，当至少一个PD包括至少两个PD时，至少两个PD中任意相邻的两个PD之间的间距的最小值为第二预设阈值。
也就是说，由于PD发生共振吸收时会使得边缘场很强，将同一像素结构中的PD之间的间距控制在均大于等于第二预设阈值，以降低同一像素结构内PD之间的串扰。
在控制同一像素结构中的PD之间的间距的基础上，还可以增加间隔，能够防止相邻像素结构内的PD之间光的相互串扰。所以，在实际应用中，在工艺上采用圆柱体的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PD的间隔。
考虑到工艺上的复杂性以及PD的共振吸收原理，在一种可选的实施例中，每个PD的光接收面的形状包括以下任意一项：圆形、正方形、三角形、五边形和六边形。
也就是说，PD的光接收面可以为有规则的形状，例如，正多边形，也可以为无规则的形状，这里，本申请实施例不作具体限定。
针对PD的光接收面为规则形状，可以为圆形和正方形等等形状，为了更加方便得控制PD的光接收面的共振波长，将PD的光接收面制作成圆形，通过调整圆形的直径来调整PD的光接收面的共振波长。
在一种可选的实施例中，每个PD的体积为圆柱体；
其中，每个光电二极管的光接收面为圆柱体的其中一个圆形底面；每个光电二极管的光接收面的共振波长与圆形底面的直径呈正相关性。
也就是说，在制作CIS时，需要控制像素结构内部的PD之间的间距，还需要控制两个相邻的像素结构之间的间距，为了更加方便地控制间距，在实际应用中，在工艺上采用圆柱体的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PD的间隔。
针对圆形光接收面的PD，共振波长＝PD的光接收面的折射率×圆形直径+常数，其中，该常数是与PD的结构有关的一个常数。
可见，在工艺上，只需要根据不同类型的波长就可以通过设置圆形直径来使得每个PD实现共振吸收的特性。
其中，在一种可选的实施例中，当特定波长为蓝光波长，每个PD的光接收面的直径为60nm；当特定波长为绿光波长，每个PD的光接收面的直径为90nm；当特定波长为红光波长，每个PD的光接收面的直径为120nm。
这里，在实际应用中，将PD的圆形光接收面设置为60nm，使得PD可以对蓝光实现共振吸收，将PD的圆形光接收面设置为90nm，使得PD可以对绿光实现共振吸收，将PD的圆形光接收面设置为120nm，使得PD可以对红光实现共振吸收。
为了更好的降低串扰，在一种可选的实施例中，至少一个PD包括9个PD时，第二预设阈值为200nm，第一预设阈值为400nm。
在实际应用中，当一个像素结构中排布由9个PD时，可以将任意两个PD之间的间距的最小值为200nm，而将两个相邻的像素结构之间的距离的最小值为400nm，这样，使得降低CIS中每个像素结构内部的光学串扰的同时，还可以降低CIS中两个相邻像素结构之间的光学串扰，从而大幅度地降低了CIS中存在的光学串扰。
为了降低CIS中的光学串扰，在一种可选的实施例中，像素结构与至少一个相邻像素结构之间填充有隔离介质。
这里，在控制像素结构内部两个相邻PD之间的距离和两个相邻像素结构之间的距离的基础上，还可以在像素结构与至少一个相邻像素结构之间填充有隔离介质，该隔离介质可以为金属或者其他介质，这里，本申请实施例不作具体限定。
下面举实例来对上述一个或多个实施例所述的像素结构进行说明。
图2为本申请实施例提供的一种可选的四个像素结构的PD的俯视图；如图2所示，CIS的每个像素结构中含有9个圆柱形PD，左上区域位置的像素结构包括9个PD21，用于对红光波长进行共振吸收，右上区域位置的像素结构包括9个PD22，用于对绿光波长进行共振吸收，左下区域位置的像素结构包括9个PD23，用于对绿光波长进行共振吸收，右下区域位置的像素结构包括9个PD24，用于对蓝光波长进行共振吸收。
其中，蓝光波长对应的PD24的圆形光接收面的直径为60nm左右，绿光波长对应的PD22和PD23的圆形光接收面的直径为90nm，红光波长对应的PD21的圆形光接收面的直径为120nm，通过圆柱形PD结构的光学共振分别可以吸收红绿蓝RGB三个波长的光。
这里，像素结构中每个PD的间隔在200nm左右，而对于相邻像素结构之间边缘的不同直径PD，其间隔在400nm左右，不同直径的圆柱形PD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2所示的左上区域的PD21中，而蓝光会局域在右下区域的PD24中，绿光则会局域在右上区域PD22和左下区域的PD23中，由于耦合非常的弱，使得像素结构之间的串扰非常的低。
图3为本申请实施例提供的与图2相对应的一种可选的四个像素结构的PD的侧视图；如图3所示，包括滤光片31，PD32和读出电路33，其中，滤光片31包括图2中左上区域的红色滤光片，右上区域和左下区域的绿色滤光片，以及右下区域的蓝色滤光片；PD32包括图2中左上区域的PD21，右上区域PD22和左下区域的PD23，以及右下区域的PD24；读出电路33包括图2中与左上区域的PD21相连接读出电路，与右上区域PD22或者左下区域的PD23相连接读出电路，以及右下区域的PD24相连接读出电路。
本实例中，利用亚波长尺度的圆柱形PD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，而对于其他非共振区域的波长几乎不吸收。通过减少像素内的PD的数量，去增加相邻像素PD的间距，从而进一步降低像素之间的光学串扰。
图4为本申请实施例提供的与图2相对应的像素结构相对应的电路结构示意图；如图4所示，VAPPIX为读出电路的电源电压，RST为复位电压，SEL为行选电路的电压，FD为光电二极管被读出的电压，TX为PD的栅极电压，OUT为输出电压；其中，与传统像素结构的读出电路相类似，亚波长像素的读出电路如图4所示，工作流程如下：
曝光：光照射产生的电子-空穴对会因PPD区产生的电场的存在而分开，电子移向n区，空穴移向p区；复位：在曝光结束时，激活RST，将读出区复位到高电平；复位电平读出：复位完成后，读出复位电平，将读出的信号存储在第一个电容中；电荷转移：激活TX，将电荷从感光区完全转移到n+区用于读出；信号电平读出。
在上述实例中，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PD中，从而降低了像素之间的串扰，同时由于像素间的空间间距加大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。利用本实例，可以有效地降低像素结构之间的光学串扰。
本申请实施例提供了一种像素结构，该像素结构包括滤光片、至少一个PD和与至少一个PD相连接的读出电路，其中，像素结构与像素结构的至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值；像素结构与至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离，滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光，至少一个中的每个PD用于根据每个PD的光接收面的共振波长，吸收特定波长的光，并将吸收到的光转换为电信号，读出电路用于读出电信号；其中，共振波长为每个PD的光接收面发生共振吸收时的波长；也就是说，在本申请实施例中，由于每个PD都是根据共振波长对特定波长进行共振吸收，所以光吸收量增强，此时相邻像素结构之间吸收不同波长的光更容易产生串扰，为了避免串扰，这里，分别存在于像素结构与至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个PD之间的距离最小值设置为第一预设阈值，这样，控制两个相邻像素结构之间最短的两个PD之间的距离，极大的降低了吸收不同波长的光的像素结构之间的耦合，从而降低了相邻像素结构之间的光学串扰，进而提高了CIS的信噪比。
实施例二
图5为本申请实施例提供的一种可选的CIS的结构示意图，如图5所示，本申请实施例提供了一种CIS500，CIS500包括上述一个或多个实施例所述的像素结构。
图6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6所示，本申请实施例提供了一种终端600，终端600包括上述实施例所述的CIS。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种像素结构，其特征在于，所述像素结构包括滤光片、至少一个光电二极管PD和与所述至少一个PD相连接的读出电路；其中，
所述像素结构与所述像素结构的至少一个相邻像素结构间的距离的最小值为第一预设阈值；所述像素结构与所述至少一个相邻像素结构间的距离为：分别存在于所述像素结构与所述至少一个相邻像素结构中的两个相邻PD中，间距最短的两个相邻PD之间的距离；其中，所述至少一个PD包括9个PD，所述第一预设阈值为400nm；
所述滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光；所述像素结构的滤光片过滤得到的特定波长与所述至少一个相邻像素结构的滤光片过滤得到的特定波长为不同类型的波长；
所述至少一个PD中的每个PD用于根据所述每个PD的光接收面的共振波长，吸收所述特定波长的光，并将吸收到的光转换为电信号；
所述读出电路用于读出所述电信号；
其中，所述共振波长为所述每个PD的光接收面发生共振吸收时的波长。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述特定波长包括以下任意一种类型的波长：红光波长，绿光波长，蓝光波长。
3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，当所述至少一个PD包括至少两个PD时，所述至少两个PD中任意相邻的两个PD之间的间距的最小值为第二预设阈值。
4.根据权利要求3所述的像素结构，其特征在于，所述每个PD的光接收面的形状包括以下任意一项：圆形、正方形、三角形、五边形和六边形。
5.根据权利要求4所述的像素结构，其特征在于，所述每个PD的体积为圆柱体；
其中，所述每个光电二极管的光接收面为所述圆柱体的其中一个圆形底面；所述每个光电二极管的光接收面的共振波长与所述圆形底面的直径呈正相关性。
6.根据权利要求5所述的像素结构，其特征在于，
当所述特定波长为蓝光波长，所述每个PD的光接收面的直径为60nm；
当所述特定波长为绿光波长，所述每个PD的光接收面的直径为90nm；
当所述特定波长为红光波长，所述每个PD的光接收面的直径为120nm。
7.根据权利要求6所述的像素结构，其特征在于，所述第二预设阈值为200nm。
8.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构与所述至少一个相邻像素结构之间填充有隔离介质。
9.一种互补金属氧化物半导体图像传感器CIS，其特征在于，所述CIS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CIS。
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