CN110335877B - 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，所述多个光电二极管的排列满足预设形状，且多个所述预设形状能够拼接为六边形。

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

目前常用的像素阵列主要是正方形像素排布而成，在正方形像素排布中像素是正方形结构，横向和纵向的周期也是相同的，像素密度较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请一示例性实施例提供了一种图像传感器。

本申请一示例性实施例的技术方案是这样实现的：

本申请一示例性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，所述多个光电二极管的排列满足预设形状，且多个所述预设形状能够拼接为六边形。

本申请一示例性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，所述多个光电二极管的排列满足预设形状，且多个所述预设形状能够拼接为六边形；如此，通过将设置光电二极管的排列形状，使得多个光电二极管最终排列的形状可以组成六边形，提高了像素阵列的像素密度，进而提高了图像传感器的分辨率。

附图说明

图1为本申请一示例性实施例图像传感器的组成结构示意图；

图2A为本申请一示例性实施例光电二极管的组成结构示意图；

图2B为本申请一示例性实施例像素单元的组成结构示意图；

图3为本申请一示例性实施例像素结构的俯视图；

图4为本申请一示例性实施例图像传感器的组成结构示意图；

图5为本申请一示例性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

在对本申请一示例性实施例的技术方案进行详细说明之前，首先对本申请一示例性实施例的数据传输方法应用的系统架构进行简单说明。本申请一示例性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。

本申请一示例性实施例提供一种图像传感器，图1为本申请一示例性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(比如，像素单元包含3个光电二极管102至104，其中，二极管102吸收蓝光，二极管103吸收绿光，二极管104吸收红光)，所述多个光电二极管的排列满足预设形状，且多个所述预设形状能够拼接为六边形。

这里，所述多个光电二极管的排列可以是正三角形、普通三角形、普通六边形或者正六边形等；比如，所述多个光电二极管为三个光电二极管(比如，二极管102至104)，在单个像素单元中，排布这三根不同直径的圆柱形二极管102至104，以分别对应吸收蓝光、绿光和红光三种不同波长的光，从而得到将像素单元的形状改变为三角形，然后将该三角形像素按照六角阵列去排布，最终提高了整个图像传感器的像素数。在一个具体例子中，如图1所示，将单个像素单元设置为三角形101，将三个分别吸收红光、蓝光和绿光的光电二极管(二极管102至104)排列成等边三角形，该等边三角形101的边长大于等于三个光电二极管中任意两个光电二极管的直径与预设间隔阈值之和；比如，预设间隔阈值为100纳米(nm)，二极管102对应的直径60nm左右，二极管103对应的直径90nm，二极管104对应的直径120nm，那么该等边三角形101的边长至少为220nm。这样，将红、绿和蓝三种亚波长圆柱形光电二极管排布成三角形(等边三角形或普通三角形)，使得像素结构变成等边三角形，从而提高了单位面积下的像素数。

在本申请一示例性实施例中，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。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；在一个具体例子中，所述预设间隔阈值大于等于100nm，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。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3所示，二极管301分别与二极管302和二极管303相邻，将二极管301设置为与二极管302和二极管303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3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3所示，图像传感器的一个像素单元中3个圆柱形光电二极管排列为等边三角形(即二极管301至303)。

在本申请一示例性实施例中，通过将亚波长像素结构的多个光电二极管的排列成正三角形，并将多个正三角形排布成六角密堆阵列结构，从而增大了像素密度，提高了相同面积图像传感器的分辨率。

本申请一示例性实施例提供一种图像传感器，图2A为本申请一示例性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。

在本申请一示例性实施例中，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。

本申请一示例性实施例提供一种图像传感器，图2B为本申请一示例性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213，光电二极管211至213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214，用于将感光阵列产生的电荷转移到浮动扩散区216。

这里，比如，利用电源217将转移晶体管214接通之后，通转移晶体管214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215，用于读出转移到所述浮动扩散区中的电荷。

这里，读出电路215将存储在浮动扩散区中的电荷输出。

读出电路215还包括：

复位晶体管251，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252，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253，与所述放大晶体管252连接，用于读出所述放大的电荷到输出电路。

所述输出电路254，与所述选择晶体管253连接，用于输出所述放大的电荷。

在本申请一示例性实施例中，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，像素为正方形，像素排布密度相比于六角排布来说，是低于六角阵列的像素密度的。

基于此，本申请一示例性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，每个像素内排布三根不同直径的圆柱形PD柱分别对应吸收RGB三种不同波长的光(比如，蓝光对应的直径60nm左右，绿光对应的直径90nm，红光对应的直径120nm)。三角形像素按照六角阵列去排布，最终提高了整个图像传感器的像素数，提高了像素密度，进而提高了图像传感器的分辨率。

如图3所示，CIS的每个三角形像素31中含有3个圆柱形光电二极管，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。其中，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PD结构的光学共振，分别可以增强RGB三个波长对应的光在PD结构里面的光学态密度，提高单个像素的量子效率。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3所示的光电二极管303中，而蓝光和绿光则分别会局域在二极管301和302中；这样将当个像素中的光电二极管排布为等边三角形的结构，通过圆柱形光电二极管结构的光学共振，分别可以增强RGB三个波长对应的光在PD结构里面的光学态密度，提高单个像素的量子效率。

图3为本申请一示例性实施例像素结构的俯视图，如图3所示，多个正三角形(31，32，…，3n)的像素按照六角阵列排布，最终构成了六角排布的像素阵列304，而且在图3中光电二极管321、322和323是处于同一水平线上的，这样可以降低读出电路的加工难度。

本申请一示例性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，将红、黄和蓝三种亚波长圆柱形光电二极管排布成等边三角形，使得像素结构变成等边三角形，从而提高了相同图像传感器的芯片面积下的分辨率。

图4为本申请一示例性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的光电二极管为例，如图4所示，在p型圆柱形光电二极管401的硅柱中注入n阱402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403(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404，用于当接通转移晶体管404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。转移晶体管404，用于当当采用电源457采用电源457接通转移晶体管404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。

在本申请一示例性实施例中，每个像素单元内排布三根不同直径的圆柱形光电二极管分别对应吸收红、绿和蓝三种不同波长的光，这样，三角形像素按照六角阵列排布，从而提高了整个图像传感器的单个的像素个数，提高了像素密度，进而提高了图像传感器的分辨率。

基于前述的实施例，本发明实施例提供一种图像传感器，图5为本申请一示例性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，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511，所述多个光电二极管511的排列满足预设形状，且多个所述预设形状能够拼接为六边形。

在其他实施例中，所述预设形状至少包括：三角形或六边形。

在其他实施例中，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。

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，且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，如果三个光电二极管的排列为三角形，所述三角形的边长大于等于所述三个光电二极管中任意两个光电二极管的直径与预设间隔阈值之和。

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，本申请一示例性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：本申请一示例性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 (8)

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；

所述像素单元包含三个直径不同的光电二极管，所述三个直径不同的光电二极管的排列为等边三角形，且多个所述等边三角形能够拼接为六边形；所述像素单元中的任意两种直径对应的光电二极管与相邻像素的另一种直径对应的光电二极管处于同一水平线上；

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。

3.根据权利要求2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，且所述光电二极管吸收的特定波长为单一波长。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述三角形的边长大于等于所述三个直径不同的光电二极管中任意两个光电二极管的直径与预设间隔阈值之和。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述三个直径不同的光电二极管中相邻的光电二极管的直径不同。

6.根据权利要求1至5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。

7.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。

8.根据权利要求7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。