CN111180477B - 图像传感器及图像采集设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像传感器及图像采集设备，涉及图像传感器技术领域。该图像传感器的感光区域可包括：第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域；其中，第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域中的掺杂浓度依次递增，使得第一感光区域产生的光电子通过第二感光子区域转移至第三感光子区域；第三感光子区域的周侧设置有调制组件，调制组件对第三感光子区域的光电子进行调制输出。本发明的图像传感器的感光区域可实现保证光电效率和转移速度的前提下，进行多tap的信号调制。

Description

图像传感器及图像采集设备
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，具体而言，涉及一种图像传感器及图像采集设备。
背景技术
图像传感器或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。
CMOS图像传感器至少包括：像素阵列、时序控制模块、模拟信号处理模块以及模数转换模块，其中，像素阵列可以采用光电二极管实现光电转换。目前现有技术中，在采用CMOS图像传感器实现光电转移和调制时，是把像素感光区域面积做小，实现光生电子的快速调制转移，或者是使用特定区域掺杂形成梯度分布电场，实现光电子的转移过程。
但是，由于像素面积做小，一定程度上将会影响光电效率，或者，由于掺杂形成梯度分布电场的特定区域的结构设计不合理性，将导致多tap信号无法进行快速调制，从而降低了光电转移调制效率。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种图像传感器及图像采集设备，以便于解决现有技术中存在的图像传感器光电转移调制效率较低的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种图像传感器，所述图像传感器的感光区域包括：第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域；其中，所述第一感光子区域、所述第二感光子区域和所述第三感光子区域中的掺杂浓度依次递增，使得所述第一感光子区域产生的光电子通过所述第二感光子区域转移至所述第三感光子区域；
所述第三感光子区域的周侧设置有调制组件，所述调制组件对所述第三感光子区域的光电子进行调制输出。
可选地，所述第一感光子区域的第一边长小于第二边长，所述第一边长包括所述第一感光子区域中远离所述第二感光子区域的沿第一方向的边长，所述第二边长包括所述第一感光子区域中接近所述第二感光子区域的沿第一方向的边长。
可选地，所述第二感光子区域的第三边长小于第四边长，所述第三边长包括所述第二感光子区域中远离所述第三感光子区域的沿第一方向的边长，所述第四边长包括所述第二感光子区域中接近所述第三感光子区域的沿第一方向的边长。
可选地，所述第二感光子区域与所述第一感光子区域相邻部分形成第一重叠区域；所述第二感光子区域与所述第三感光子区域相邻部分形成第二重叠区域；
所述第一重叠区域包括以下任一种：矩形、梯形或三角形；
所述第二重叠区域包括以下任一种：矩形、梯形或三角形。
可选地，所述第二重叠区域的长度为所述第一感光子区域的第二边长的1/6-1/2。
可选地，所述第二重叠区域的高度为所述第一感光子区域高度的1/20-1/5。
可选地，所述调制组件包括第一调制栅极和第二调制栅极；
所述第一调制栅极用于对所述第三感光子区域的光信号中一类光产生的光电子进行调制输出；所述第二调制栅极用于对所述第三感光子区域的光信号中的另一类光产生的光电子进行调制输出。
可选地，所述第一调制栅极包括：第一传输栅极和/或第二传输栅极，所述第一传输栅极用于在第一预设时间段输出目标光产生的光电子；
所述第二传输栅极用于在第二预设时间段输出目标光产生的光电子。
可选地，所述第二调制栅极包括：抵消传输栅极，所述抵消传输栅极用于输出背景光产生的光电子。
第二方面，本申请实施例还提供了一种图像采集设备，包括上述第一方面所述的图像传感器。
本申请的有益效果是：
本申请实施例提供的一种图像传感器及图像采集设备中，该图像传感器的感光区域包括：第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域；其中，第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域中的掺杂浓度依次递增，使得第一感光子区域产生的光电子通过第二感光子区域转移至第三感光子区域；第三感光子区域的周侧设置有调制组件，调制组件对第三感光子区域的光电子进行调制输出。其中，第一感光子区域和第二感光子区域之间使用两次非均匀掺杂来构建非均匀梯度电场，可以增多非均匀掺杂的阶数，从而加快光电子向第三感光子区域的转移速度。
其次，每个感光子区域设置上小，下大的结构，进一步的加快电子向掺杂浓度高的区域的转移速度。
另外，第一重叠区域和第二重叠区域采用梯形、矩形或者三角形的结构，可以有效加快第一感光子区域以及第二感光子区域的光电子向第三感光子区域的转移速度。
最后，通过增加第三感光子区域进行光电子的调制转移，能够保证光电效率和转移速度的前提下，进行多tap的信号调制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种图像传感器的感光区域的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种第一感光子区域示意图；
图3为本申请实施例提供的一种第二感光子区域示意图；
图4为本申请实施例提供的一种图像采集设备示意图。
图标：100-图像传感器；110-第一感光子区域；120-第二感光子区域；130-第三感光子区域；150-第二重叠区域；111-第一边长；112-第二边长；121-第三边长；122-第四边长；200-图像采集设备。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
首先，需要说明的是，本申请中是以COMS图像传感器为例进行图像传感器中感光区域的光电转移效率的说明。目前现有技术中，CMOS图像传感器至少包括：像素阵列、时序控制模块、模拟信号处理模块以及模数转换模块，其中，像素阵列可以采用光电二极管实现光电转换。一种现有技术是把像素感光区域面积做小，实现光生电子的快速调制转移，但是像素面积小，光电效率就会受到影响，另一种现有技术是使用掺杂形成梯度分布电场，实现光电子的转移过程，然而，由于形成的梯度分布电场区域太大，导致多tap信号（各相位对应的调制栅极TX开启时所收集到的光电信号）无法进行快速调制。 本申请所提供的图像传感器对感光区域的结构进行了改进，在使用掺杂形成梯度分布电场的基础上，添加存储区域进行光电子的调制转移，保证光电效率的和转移速度的前提下，实现多tap的信号调制。
可选地，可考以下具体实施例对本申请所提供的图像传感器进行理解。
图1为本申请实施例提供的一种图像传感器的感光区域的结构示意图；如图1所示，该图像传感器100的感光区域包括：第一感光子区域110、第二感光子区域120和第三感光子区域130；其中，第一感光子区域110、第二感光子区域120和第三感光子区域130中的掺杂浓度依次递增，使得第一感光子区域110产生的光电子通过第二感光子区域120转移至第三感光子区域130；第三感光子区域130的周侧设置有调制组件，调制组件对第三感光子区域130的光电子进行调制输出。
可选地，本实施例提供的图像传感器100的感光区域可以包括三个部分，其中，第一感光子区域110和第二感光子区域120内均设置有光电二极管（PD，photodiode），第一感光子区域110和第二感光子区域120可以通过光电二极管产生光生电子，光生电子向第三感光子区域130转移并存储，并通过第三感光子区域130周侧设置的调制组件，进行调制输出。
可选地，第一感光子区域110、第二感光子区域120和第三感光子区域130的掺杂浓度不同，第一感光子区域110、第二感光子区域120和第三感光子区域130的掺杂浓度依次增高，从而形成梯形分布电场，加快电子向掺杂浓度高的第三感光子区域130的转移速度。
可以理解的是，在某物质中掺杂少量其他物质改变物质特性，生成新材料的一种方法所掺物质占总物质量的比例就是掺杂浓度。本实施例中，掺杂浓度指的是掺杂N型杂质的浓度。
在一些实施例中，第三感光子区域130中的周侧可以设置调制组件，可以通过调制组件对转移至第三感光子区域130中不同类的光生电子进行调制输出。具体的调制方式可以参照下述实施例进行理解。
综上，本实施例提供的图像传感器中，图像传感器的感光区域包括：第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域；其中，第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域中的掺杂浓度依次递增，使得第一感光子区域产生的光电子通过第二感光子区域转移至第三感光子区域；第三感光子区域的周侧设置有调制组件，调制组件对第三感光子区域的光电子进行调制输出。其中，第一感光子区域和第二感光子区域之间使用两次非均匀掺杂来构建非均匀梯度电场，可以增多非均匀掺杂的阶数，从而加快光电子向第三感光子区域的转移速度。另外，通过增加第三感光子区域进行光电子的调制转移，能够保证光电效率和转移速度的前提下，进行多tap的信号调制。
图2为本申请实施例提供的一种第一感光子区域示意图，可选地，如图2所示，第一感光子区域110的第一边长111小于第二边长112，第一边长111包括第一感光子区域110中远离第二感光子区域120的沿第一方向的边长，第二边长112包括第一感光子区域110中接近第二感光子区域120的沿第一方向的边长。
在一些实施例中，如图2所示，为了加快第一感光子区域110中产生的光电子向第二感光子区域120的移动速度，本实施例中，第一感光子区域110可以设置为梯形结构。其中，第一感光子区域110的第一边长111小于第二边长112，结合图1进一步理解，第一感光子区域110的第一边长111也即第一感光子区域110中远离第二感光子区域120的沿第一方向的边长；第一感光子区域110的第二边长112也即第一感光子区域110中接近第二感光子区域120的沿第一方向的边长。其中，第一方向可以理解为水平方向。从而使得第一感光子区域110形成上小下大的梯形结构，进一步地加快第一感光子区域110产生的光电子向第二感光子区域120的转移。
图3为本申请实施例提供的一种第二感光子区域示意图，可选地，如图3所示，第二感光子区域120的第三边长121小于第四边长122，第三边长121包括第二感光子区域120中远离第三感光子区域130的沿第一方向的边长，第四边长122包括第二感光子区域120中接近第三感光子区域130的沿第一方向的边长。
可选地，与第一感光子区域110的结构类似，结合图1进行理解，第二感光子区域120的第三边长121也即第二感光子区域120中远离第三感光子区域130的沿第一方向的边长；第二感光子区域120的第四边长122也即第二感光子区域120中接近第三感光子区域130的沿第一方向的边长。其中，上述实施例中第一方向类似，本实施例中，第一方向同样为水平方向。从而使得第二感光子区域120也形成上小下大的梯形结构，进一步地加快第二感光子区域120产生的光电子、以及第一感光子区域110转移至第二感光子区域120的光电子，向第三感光子区域130的转移。另外这种掺杂结构也保证了光生电子能够被最大程度捕获，保证了图像传感器分辨率的最优化。
可选地，设置第一感光子区域110、第二感光子区域120、以及第三感光子区域130的掺杂浓度依次增大，电子由浓度低的区域向浓度高的区域不断转移，同样可以有效加快第一感光子区域110以及第二感光子区域120产生的光电子向第三感光子区域130的转移速度。两次非均匀的浓度掺杂增加了非均匀掺杂的阶数，构建了光生电子到达第三感光子区域130的非均匀梯度电场，有利于在小尺度上实现更优的光电转化和传输效率。
可选地，如图1所示，第二感光子区域120与第一感光子区域110相邻部分形成第一重叠区域；第二感光子区域120与第三感光子区域130相邻部分形成第二重叠区域150。
需要说明的是，如图1所示，第二感光子区域120是包含于第一感光子区域110中，与第一感光子区域110形成重叠部分，也即第一重叠区域可以为第二感光子区域120。
可选地，第一重叠区域包括以下任一种：矩形、梯形或三角形；第二重叠区域150包括以下任一种：矩形、梯形或三角形。
需要说明的是，图1中仅示例性的给出了第一重叠区域和第二重叠区域150的一种结构，也即，第一重叠区域为梯形结构，第二重叠区域150为矩形结构。实际应用中，第一重叠区域和第二重叠区域150均可以为矩形、梯形或三角形中的任意一种结构，通过将第一重叠区域和第二重叠区域150设置为上述结构，可以进一步地加快第一感光子区域110以及第二感光子区域120产生的光电子向第三感光子区域130的转移速度。
可选地，第二重叠区域150的长度为第一感光子区域110的第二边长112的1/6-1/2；第二重叠区域150的高度为第一感光子区域110高度的1/20-1/5。
在一些实施方式中，第二重叠区域150的长度为第一感光子区域110的第二边长112的1/6-1/2， 优选地，第二重叠区域150的长度可以为第一感光子区域110的第二边长112的1/3。第二重叠区域150的高度为第一感光子区域110高度的1/20-1/5，也即第二重叠区域150沿竖直方向的长度为第一感光子区域110沿竖直方向长度的1/20-1/5，优选地，第二重叠区域150沿竖直方向的长度为第一感光子区域110沿竖直方向长度的1/10。同样类似地也可以最优化设计第一重叠区域的尺寸。通过对重叠区域最优尺寸的设计，一方面能够保证第一感光子区域110和第二感光子区域120中产生的光电子不至于被加速太快而无法被第三感光子区域130所接收，另一方面重叠区域尺寸最优化的设计也避免了图像传感器产生的光生电子扩散到图像传感器基底层，或者更严重的光生电子扩散到相邻像素中，在相邻像素中产生噪音的同时，使得本像素单元的感测强度衰减，从而严重影响图像传感器的精度和探测距离扩展。
可选地，如图1所示，第三感光子区域130的周侧还包括调制组件，其中，调制组件可以包括第一调制栅极和第二调制栅极；第一调制栅极用于对第三感光子区域130的光信号中一类光产生的光电子进行调制输出；第二调制栅极用于对第三感光子区域130的光信号中的另一类光产生的光电子进行调制输出。
其中，第一调制栅极可以包括：调制栅极TX1-TX4；第二调制栅极可以包括：两个调制栅极TX_Anti。第一调制栅极用于对不同相位对应的TX开启时所收集的光电子进行调整输出。第二调制栅极用于对第一调制栅极调制输出光电子的过程中，另一类光产生的光电子进行调制输出。其中，在本实施例中，该光信号中的一类光可以是有效光，而光信号中的另一类光可以是背景光，通过第三感光子区域周侧的调制组件的结构设置，使得图像传感器的光电探测转化能力大幅提升。
可选地，第一调制栅极包括：第一传输栅极和/或第二传输栅极，第一传输栅极用于在第一预设时间段输出目标光产生的光电子；第二传输栅极用于在第二预设时间段输出目标光产生的光电子。
可选地，第一调制栅极中包括的第一传输栅极可以是TX1和TX3，而第一调制栅极中包括的第二传输栅极可以是TX2和TX4。在第三感光子区域130中对转移来的光电子进行调制期间，第一预设时间段内，从第一感光子区域110、第二感光子区域120转移至第三感光子区域130的光电子，以及第三感光子区域130所产生的光电子中由目标光产生的光电子可以通过TX1和TX3输出，而在第二预设时间段内，从第一感光子区域110、第二感光子区域120转移至第三感光子区域130的光电子，以及第三感光子区域130所产生的光电子中由目标光产生的光电子可以通过TX2和TX4输出，其中，目标光也即有效信号光。需要说明的是，不同的调制栅极TX1-TX4对应有预设的相位，而第一预设时间段和第二预设时间段与各调制栅极TX1-TX4的相位对应。
可选地，第二调制栅极包括：抵消传输栅极，抵消传输栅极用于输出背景光产生的光电子。
可选地，第二调制栅极中包含的一组抵消传输栅极TX_Anti，用于在第一调制栅极进行光电子调制期间输出背景光产生的光电子，也即抵消背景光对应的电荷，从而提高图像传感器输出的信号的有效性。
综上所述，本实施例提供一种图像传感器中，图像传感器的感光区域包括：第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域；其中，第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域中的掺杂浓度依次递增，使得第一感光子区域产生的光电子通过第二感光子区域转移至第三感光子区域；第三感光子区域的周侧设置有调制组件，调制组件对第三感光子区域的光电子进行调制输出。其中，第一感光子区域和第二感光子区域之间使用两次非均匀掺杂来构建非均匀梯度电场，可以增多非均匀掺杂的阶数，从而加快光电子向第三感光子区域的转移速度。
其次，每个感光子区域设置上小，下大的结构，进一步的加快电子向掺杂浓度高的区域的转移速度。
另外， 第一重叠区域和第二重叠区域采用梯形、矩形或者三角形的结构，可以有效加快第一感光子区域以及第二感光子区域的光电子向第三感光子区域的转移速度。
最后，通过增加第三感光子区域进行光电子的调制转移，能够保证光电效率和转移速度的前提下，进行多tap的信号调制。
图4为本申请实施例提供的一种图像采集设备示意图，可选地，如图4所示，本申请还提供一种图像采集设备200，包括上述实施例所提供的图像传感器100。
可选地，该图像采集设备200中除了包含上述的图像传感器100外，还包括可以包括处理器、存储器等。
该图像采集设备200所具备的功能及其实现方式可以参照前述对于图像传感器的具体说明进行理解，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置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，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的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，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者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者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，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。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元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，或者网络设备等）或处理器（英文：processor）执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（英文：Read-Only Memory，简称：ROM）、随机存取存储器（英文：Random Access Memory，简称：RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (8)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器的感光区域包括：第一感光子区域、第二感光子区域和第三感光子区域；其中，所述第一感光子区域、所述第二感光子区域和所述第三感光子区域中的掺杂浓度依次递增，使得所述第一感光子区域产生的光电子通过所述第二感光子区域转移至所述第三感光子区域；
所述第三感光子区域的周侧设置有调制组件，所述调制组件对所述第三感光子区域的光电子进行调制输出；
所述调制组件包括第一调制栅极和第二调制栅极；
所述第一调制栅极用于对所述第三感光子区域的光信号中一类光产生的光电子进行调制输出；所述第二调制栅极用于对所述第三感光子区域的光信号中的另一类光产生的光电子进行调制输出，所述一类光为有效光，所述另一类光为背景光；
所述第二调制栅极包括：抵消传输栅极，所述抵消传输栅极用于输出背景光产生的光电子，所述第一调制栅极和所述第二调制栅极同时启动。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一感光子区域的第一边长小于第二边长，所述第一边长包括所述第一感光子区域中远离所述第二感光子区域的沿第一方向的边长，所述第二边长包括所述第一感光子区域中接近所述第二感光子区域的沿第一方向的边长。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第二感光子区域的第三边长小于第四边长，所述第三边长包括所述第二感光子区域中远离所述第三感光子区域的沿第一方向的边长，所述第四边长包括所述第二感光子区域中接近所述第三感光子区域的沿第一方向的边长。
4.如权利要求2或3所述的图像传感器，其特征在于，所述第二感光子区域与所述第一感光子区域相邻部分形成第一重叠区域；所述第二感光子区域与所述第三感光子区域相邻部分形成第二重叠区域；
所述第一重叠区域包括以下任一种：矩形、梯形或三角形；
所述第二重叠区域包括以下任一种：矩形、梯形或三角形。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第二重叠区域的长度为所述第一感光子区域的第二边长的1/6-1/2。
6.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第二重叠区域的高度为所述第一感光子区域高度的1/20-1/5。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一调制栅极包括：第一传输栅极和/或第二传输栅极，所述第一传输栅极用于在第一预设时间段输出目标光产生的光电子；
所述第二传输栅极用于在第二预设时间段输出目标光产生的光电子。
8.一种图像采集设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的图像传感器。
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