CN111512445A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器(10)，包括采用非有机技术的读出电路的矩阵阵列和由有机材料制成的光电二极管(OPD)。

Description

图像传感器
本专利申请要求法国专利申请17/62783的优先权权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及图像传感器或电子成像器。本公开更具体地涉及包括有机光检测器的装置。
背景技术
图像传感器由于其小型化而用在许多领域中，特别是在电子装置中。图像传感器可以在人机界面应用以及图像捕获应用中找到。
本公开更具体地涉及由有机材料制成的光检测器形成的图像传感器。
在文献US-B-9,417,731中描述了由有机材料制成的光检测器的示例。
文献US 2015/060775描述了具有双电子阻挡层的有机光电二极管。
文献US 2009/090903描述了具有噻吩衍生物的CMOS图像传感器。
文献WO 99/39372描述了由有机半导体形成的图像传感器。
发明内容
实施方式克服了集成由有机材料制成的光检测器的图像传感器的全部或部分缺点。
实施方式提供了一种避免针对整个图像传感器使用有机技术的解决方案。
因此，实施方式提供了一种图像传感器，该图像传感器包括采用非有机技术的读出电路阵列和由有机材料制成的光电二极管。
根据一个实施方式，所述读出电路采用CMOS技术。
根据一个实施方式，每个光电二极管通过由电绝缘材料制成的间隔件与相邻的光电二极管分隔开。
根据一个实施方式，间隔件由透明材料制成。
根据一个实施方式，间隔件对于光是不透明的。
根据一个实施方式，间隔件吸收光。
根据一个实施方式，每个光电二极管包括具有相关联读出电路的像素或子像素的尺寸的第一电极。
根据一个实施方式，第一电极连接到读出电路的第一晶体管的栅极。
根据一个实施方式，第一电极经由一个或多个附加晶体管耦合到读出电路的第一晶体管的栅极。
根据一个实施方式，光电二极管的第二电极对于多个读出电路是公共的。
根据一个实施方式，第二电极由透明有机导电层形成。
根据一个实施方式，每个像素或子像素内接(inscribed)在具有大约50μm边长的正方形内。
根据一个实施方式，像素或子像素横向间隔小于5μm。
根据一个实施方式，第二电极覆盖有半透明的保护层。
附图说明
在以下参考附图通过说明而非限制的方式给出的对特定实施方式的描述中，将详细描述上述特征和优点以及其他方面，其中：
图1是示意性地示出图像传感器的实施方式的透视图；
图2是图像传感器的实施方式的横截面图；
图3是图2所示图像传感器的简化俯视图；
图4示出了具有三个晶体管的CMOS读出电路的简化电路图；和
图5非常示意性地示出了有机光电二极管层的示例。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记指定。
为了清楚起见，仅示出并且将详细描述那些对理解将要描述的实施方式有用的步骤和元件。特别地，没有详细描述图像传感器的操作，所描述的实施方式与普通传感器兼容，无论它们是纯图像传感器还是集成显示器的传感器。此外，也没有详细描述集成了图像传感器的电子装置的其他组件，所描述的实施方式与具有图像传感器应用的电子装置的其他普通组件兼容。
除非另外指出，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示没有导体以外的任何中间元件的直接连接，并且当提及耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接，或者它们可以通过一个或多个其他元件进行耦合。
在下面的描述中，当提及术语“近似于”、“约”和“大约”时，这是指在10％以内，优选地在5％以内。
此外，在下面的描述中，除非另有说明，否则当提及限定绝对位置的术语(诸如术语“高”、“低”、“左”、“右”等)或限定相对位置的术语(诸如术语“在...上方”、“在...下方”、“在上面”、“在下面”等)或限定方向的术语(诸如术语“水平”、“垂直”等)时，均参考附图的方向。
图1是示意性地示出图像传感器10的示例的透视图。
传感器10包括光子传感器或光检测器12的组件，例如光检测器阵列。在该示例中，光检测器12布置在平面表面上。然而，可以提供将光检测器12布置在非平面表面上的实施方式。光检测器阵列12可以覆盖有透明或半透明的保护涂层14，例如玻璃板、塑料涂层、使用原子单层连续沉积技术获得的沉积物、或一个或多个其他钝化层的沉积物。光检测器阵列12与读出电路16的阵列相关联，用于测量由光检测器捕获的信号。读出电路是指用于读出、寻址和控制由相应光检测器限定的像素或子像素的晶体管的组件。这样的电路可以与像素阵列或网络集成在相同的硅表面上，或者可以是与像素阵列相关联的电路或电子电路组件。
根据阵列12中使用的光检测器以及可能存在的滤光器，装置10能够捕获阴影、红外图像、黑白图像、彩色图像(RGB)等。
图像传感器10可以进一步与显示器相关联，以形成交互式界面。
下文描述的实施方式适用于所有这些应用，包括组合应用。
有机传感器通常设置具有沿第一方向形成条带的第一电极、沿第二方向形成条带的第二电极以及其间的活性材料。传感器的每个像素在电极条带之间的相交处包括由有机材料制成的光检测器元件。用于解释跨电极信号的电路通常在像素阵列平面的外部。
图2是图像传感器10的实施方式的局部横截面图。
图3是在有机元件10的水平处的图2所示图像传感器的简化俯视图。
根据所描述的实施方式，提供了通过将光检测器或有机光电二极管OPD与采用CMOS技术的非有机读出电路相关联，在半导体衬底上形成图像传感器。更特别地，提供了将有机光电二极管OPD的阵列堆叠在CMOS读出电路或CMOS像素的阵列上，每个光电二极管形成图像传感器的像素21或子像素的检测元件。
下文将描述的与像素相关的所有内容更普遍地适用于子像素，特别是对于具有通常由四个子像素构成的每个像素的彩色图像传感器来说。
如图2和3所示，每个光电二极管通过间隔件23与相邻的光电二极管分隔开。因此，间隔件23界定了光电二极管的有源区域，以使它们彼此电绝缘。因此，间隔件23由电绝缘材料制成。
此外，电极层(通常为阴极层25)中的至少一个被构造(像素化)为在对应像素的CMOS电路27垂直正上方限定光电二极管的阴极。另一电极(阳极29)也可以被像素化，但是作为变型可以形成条带。然而，在阳极被像素化的情况下，阳极电极至少在第一方向上互连以允许其偏置。
非常示意性地示出了CMOS电路或像素，它们的制造是常规的，并且所描述的实施方式与基于非有机、半导体和导电材料在硅衬底或其他衬底上形成的常规CMOS电路兼容。晶体管的金属互连层31已在图2中用符号表示。
根据一个实施方式，间隔件23由透明材料制成。
根据另一实施方式，间隔件23优选地由不透明和/或光吸收材料制成。这使得能够利用像素彼此接近的CMOS成像器的粒度，同时避免了从一个像素到下一个像素的光泄漏。实际上，作为示例，硅上CMOS传感器的像素的边长约为50μm，彼此之间的距离小于5μm。现在，有机光电二极管的有源层的厚度通常为几微米，因此与两个像素之间的间隔具有相同的数量级。使间隔件不透明或具有吸收性避免了像素之间的光干扰，从而改善图像传感器的清晰度。
作为一个具体的实施方式，间隔件23由树脂、氟基树脂或聚酰亚胺基树脂或聚对二甲苯基树脂或其他绝缘材料制成。
图4示出了与有机光电二极管OPD相关联的具有三个晶体管的CMOS读出电路或像素27的简化电气图。
读出电路27包括在施加直流电压VDD的两个端子45和47之间的与MOS选择晶体管43串联的MOS检测晶体管41。晶体管43的栅极旨在接收像素选择信号SEL。晶体管41的栅极49限定CMOS电路的输入端子。栅极49通过MOS复位晶体管51耦合至施加复位电势VR的端子。晶体管51的栅极旨在接收像素复位控制信号R(用于使检测晶体管41的栅极49放电)。
晶体管41的栅极49耦合到所考虑像素的有机光电二极管OPD的阴极电极25。光电二极管OPD的阳极电极29耦合到固定电势(未示出)或接地，但是可以按顺序取不同的电势。
CMOS读出电路的操作是已知的，并且不被所描述的实施方式修改。此外，可以使用具有四个晶体管(4T)的CMOS读出晶体管，其中在光电二极管OPD的阴极25和检测晶体管41的栅极49之间插入传输晶体管，或者甚至可以使用具有四个以上晶体管的CMOS读出晶体管，其中在阴极25和晶体管的栅极49之间有多个附加晶体管。
图5非常示意性地示出了有机光电二极管层的示例。
在该示例中，每个有机光电二极管OPD包括从连接到CMOS电路的阴极电极25开始按以下顺序进行的堆叠：
由重掺杂有机半导体聚合物制成的层61(空穴供体层)；
由有机半导体聚合物制成的层63，例如称为P3HT的聚(3-己基噻吩)或聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P型半导体)，或称为PCBM的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(N型半导体)；
重掺杂透明有机半导体聚合物层(电子供体层)65，例如称为Pedot-PSS的聚合物，其是聚(3,4)-乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠的混合物；和
透明层67，例如由氧化铟锡(ITO)、Pedot-PSS制成，或由例如基于导电纳米线、石墨烯或者导电或半导体纳米粒子的透明导电有机材料制成。
阴极电极25例如由铝、银、ITO、钼钽(MoTa)、钨、铬、Pedot-PSS或另一种金属或者导电或半导体有机材料制成。
层61和层65分别具有调整在类似于PN结的有源区63和阴极与阳极电极之间的功函数的功能。
因此，根据不同层的功函数，层67或层65可以直接形成阳极29。
类似地，根据层25的功函数，可以省略层61。
有机光电二极管的制造技术例如在文献US-B-9,417,731中描述。
所描述的实施方式的优点在于，它们使得在硅或另一非有机半导体衬底上制造CMOS半导体读出电路的技术与有机光电二极管制造技术相结合成为可能。
另一个优点是，考虑到有机光电二极管的允许波长和非有机CMOS传感器的分辨率，可以形成红外(约1400nm)或近红外(约940nm)传感器。
所描述的实施方式的另一个优点是，所执行的像素化与在阳极侧上添加微透镜兼容。
在如上所述的图像传感器或成像器的应用中，应注意视线跟踪设备、面部识别、指纹传感器、夜视设备、照相机等。
已经描述了各种实施方式。本领域技术人员将想到各种修改。特别地，对形成层61、63和65的材料的选择取决于应用，并且尤其取决于期望被检测的波长。此外，可以为阴极25提供反射材料以提高光电二极管的灵敏度。尤其可以提供金或钨和钼的合金。此外，基于上文给出的功能指示，已经描述的实施方式的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (14)

1.一种图像传感器(10)，包括采用非有机技术的读出电路阵列和由有机材料制成的光电二极管(OPD)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述读出电路采用CMOS技术制成。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中每个光电二极管(OPD)通过由电绝缘材料制成的间隔件(23)与相邻的光电二极管分隔开。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述间隔件(23)由透明材料制成。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中所述间隔件(23)对于光是不透明的。
6.根据权利要求3或5所述的传感器，其中所述间隔件(23)吸收光。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中每个光电二极管(OPD)包括具有相关联读出电路的像素或子像素的尺寸的第一电极(25)。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述第一电极(25)连接至所述读出电路(27)的第一晶体管(41)的栅极(49)。
9.根据权利要求7所述的传感器，其中所述第一电极经由一个或多个附加晶体管而被耦合至所述读出电路(27)的第一晶体管(41)的栅极(49)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，其中所述光电二极管(OPD)的第二电极(29)对于多个读出电路(27)是公共的。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述第二电极覆盖有半透明的保护层(14)。
12.根据权利要求10或11所述的传感器，其中所述第二电极(29)由透明的有机导电层形成。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的传感器，其中每个像素或子像素内接在边长小于50μm的正方形内。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中所述像素或子像素在横向上间隔小于5μm。
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