CN111627946A - 图像传感器 - Google Patents

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陈暎究
金永灿
权容铉
林茂燮
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Abstract

图像传感器包括偏振器阵列和深度像素阵列。偏振器阵列可包括在彼此交叉的第一方向和第二方向上布置的第一单位像素至第四单位像素，并且可包括分别设置在第一单位像素至第四单位像素中的偏振光栅。第一单位像素至第四单位像素的偏振光栅可具有彼此不同的偏振方向。深度像素阵列可包括分别对应于第一单位像素至第四单位像素的深度像素。深度像素中的每一个可包括光电转换装置和共同连接至光电转换装置的第一读取电路和第二读取电路。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0024003的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种图像传感器，并且具体地，涉及一种能够实现三维图像的图像传感器。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换为电信号的电子装置。随着计算机和通信行业的近期发展，对在诸如数码相机、摄像机、个人通信系统、游戏机、安全相机、医用微型相机和/或机器人等各种应用中的高性能图像传感器的需求越来越大。此外，最近正在开发用于实现三维和/或彩色图像的图像传感器。
发明内容
本发明构思的实施例提供了一种图像传感器，其被构造为容易从朝着对象发射并且被对象反射的光中获得信号，所述信号包含关于偏振状态和相对于对象的深度的信息。
根据本发明构思的实施例，一种图像传感器可包括：偏振器阵列，其包括在彼此交叉的第一方向和第二方向上布置的第一单位像素至第四单位像素，偏振器阵列包括分别设置在第一单位像素至第四单位像素中的偏振光栅。第一单位像素至第四单位像素的偏振光栅具有彼此不同的偏振方向。图像传感器还包括：深度像素阵列，其包括分别对应于第一单位像素至第四单位像素的深度像素。深度像素中的每一个可包括光电转换装置以及共同连接至光电转换装置的第一读取电路和第二读取电路。
根据本发明构思的实施例，一种图像传感器可包括：半导体衬底，其具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且包括多个像素区域；光电转换区域，其分别位于半导体衬底的各像素区域中；第一读取电路和第二读取电路，其位于像素区域中的每一个中的半导体衬底的第一表面上；以及偏振器阵列，其位于半导体衬底的第二表面上。偏振器阵列可包括分别设置在像素区域中的偏振光栅。像素区域的偏振光栅可具有彼此不同的偏振方向。
根据本发明构思的实施例，一种图像传感器可包括：偏振器阵列，其包括二维地布置的第一单位像素至第四单位像素，并且包括分别设置在第一单位像素至第四单位像素中并且具有彼此不同的偏振方向的偏振光栅；深度像素阵列，其包括分别对应于第一单位像素至第四单位像素的深度像素，深度像素中的每一个包括光电转换装置以及连接至光电转换装置的第一读取电路至第四读取电路；以及微透镜阵列，其包括分别对应于第一单位像素至第四单位像素的微透镜。偏振器阵列可设置在微透镜阵列与深度像素阵列之间。
附图说明
通过以下结合附图的简单描述，将更清楚地理解示例实施例。
附图表示本文所述的非限制性示例实施例。
图1是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器系统的图。
图2是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图。
图3是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的框图。
图4是示出设置在根据本发明构思的实施例的深度像素阵列中的4抽头结构的深度像素的电路图。
图5是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的深度像素阵列的示意性平面图。
图6是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的深度像素阵列的平面图。
图7是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的偏振器阵列的平面图。
图8A、图8B和图8C是沿着图5和图7的线I-I'截取的剖视图，用于示出根据本发明构思的实施例的图像传感器。
图9是示出图4的图像传感器中的深度像素的示例操作的时序图。
图10A是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的图。
图10B是示出图10A中所示的图像传感器的深度像素阵列的平面图。
图11是示出设置在根据本发明构思的实施例的图像传感器的深度像素阵列中的2抽头结构的深度像素的电路图。
图12A、图13A和图14A中的每一个是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的图。
图12B、图13B、图14B和图14C中的每一个是示出图12A、图13A和图14A中所示的图像传感器中的相应一个的深度像素阵列的平面图。
图15是示出图11中所示的图像传感器中的深度像素的示例操作的时序图。
应注意，这些附图旨在示出在特定示例实施例中利用的方法、结构和/或材料的一般特征，并且旨在补充下面提供的书面描述。然而，这些附图不一定按比例绘制，并且可不准确地反映任何给出的实施例的准确结构或性能特征，并且不应被解释为限定或限制示例实施例所包含的值或属性的范围。例如，为了清楚起见，可缩小或夸大分子、层、区域和/或结构性元件的相对厚度和定位。在各个附图中使用相似或相同的附图标记旨在表示存在相似或相同的元件或特征。
具体实施方式
现在将参照其中示出了示例实施例的附图更完全地描述本发明构思的示例实施例。
图像感测可使用飞行时间(ToF)图像传感器和偏振传感器。已经提出了要从TOF传感器和偏振传感器获得的图像结合起来以提供精确的深度图的常规技术。然而，该技术使用了两个相机，并且由于这种技术需要两个相机，所以系统的整体尺寸增加。此外，对于这种技术，为了图像匹配，可能需要校准两个相机。因此，下面讨论一些示例来解决这些问题。
图1是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器系统的图。
参照图1，根据本发明构思的实施例的图像传感器系统被构造为朝着对象O发射光，感测从对象O反射的光，并且计算相对于对象O的光学深度或距离D。图像传感器系统可包括朝着对象O发射光的光源1、感测从对象O反射的光的图像传感器2和向光源1和图像传感器2提供同步脉冲的时序控制器3。
光源1被构造为朝着对象O发射光信号EL，该光信号EL被提供为脉冲波。在实施例中，光源1可被构造为发射红外光、微波或可见光。例如，诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)或有机发光二极管(OLED)等光产生器可用作光源1。
图像传感器2形成为感测从对象O反射的光并且将关于光学深度的信息输出至对象O。图像传感器2获得的光学深度信息可用于如在红外相机中估计三维图像。此外，图像传感器2可包括深度像素和可见光像素，并且在该情况下，可实现三维彩色图像。
时序控制器3可控制光源1和图像传感器2的操作。例如，时序控制器3可被构造为使光源1的光发射操作与图像传感器2的光接收操作同步。
图2是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的框图。
参照图2，图像传感器可包括有源像素传感器阵列(APS阵列)10、行解码器20、行驱动器30、列解码器40、控制器50、相关双采样器(CDS)60、模数转换器(ADC)70和输入/输出缓冲器(I/O缓冲器)80。
有源像素传感器阵列10包括二维布置的多个单位像素，并且可用于将光信号转换为电信号。有源像素传感器阵列10由从行驱动器30发送的多个驱动信号(例如，像素选择信号、复位信号和电荷转移信号)驱动。可将通过有源像素传感器阵列10转换的电信号提供至相关双采样器60。
行驱动器30被构造为基于由行解码器20解码的信息产生用于驱动单位像素的驱动信号，并且随后将驱动信号发送至有源像素传感器阵列10。当单位像素按照矩阵形式(即，多行和多列)布置时，可将驱动信号提供至各行。
控制器50控制图像传感器的整体操作，并且将时序信号和控制信号提供至行解码器20和列解码器40。
CDS 60被构造为接收由有源像素传感器阵列10产生的电信号，并且随后执行接收到的电信号的保持和采样操作。例如，CDS 60可对电信号的特定噪声电平和信号电平执行双采样操作，并且随后可输出与噪声电平与信号电平之间的差相对应的差电平。
ADC 70被构造为将包含关于从CDS 60输出的差电平的信息的模拟信号转换为数字信号，并且随后输出数字信号。
I/O缓冲器80被构造为基于由列解码器40解码的信息锁存数字信号，并且随后顺序地将锁存的数字信号输出至图像信号处理单元(未示出)。
图3是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的框图。
参照图3，有源像素传感器阵列10包括在彼此交叉的第一方向D1和第二方向D2上二维地布置的多个单位像素P1-P4。作为示例，有源像素传感器阵列10可包括在顺时针方向上顺序地布置的第一单位像素P1至第四单位像素P4。如本文所用，单位像素可指图像传感器的单个传感器元件，并且可指图像传感器的最小可寻址感光元件。
有源像素传感器阵列10可包括在与第一方向D1和第二方向D2垂直的第三方向D3上堆叠的深度像素阵列100和偏振器阵列200。
深度像素阵列100可包括在第一方向D1和第二方向D2上二维地布置的多个深度像素DP。深度像素DP可感测入射光并且可输出关于相对于对象O的光学深度的信息。深度像素DP中的每一个可包括用于处理信号的光电转换装置和多个晶体管。
偏振器阵列200可包括分别设置在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d。第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d可具有彼此不同的偏振方向。
在实施例中，第一偏振光栅200a可平行于第一方向D1布置，第二偏振光栅200b可布置为在相对于第一方向D1成45°角的方向上延伸，第三偏振光栅200c可布置为在相对于第一方向D1成90°角的方向上(即，平行于第二方向D2)延伸，第四偏振光栅200d可布置为在相对于第一方向D1成135°角的方向上延伸(其也可被描述为布置为在相对于第一方向D1成45°角的方向和相对于第二偏振光栅200b延伸的方向成90°角的方向上延伸)。
如果光L(即，图1的反射光)入射至有源像素传感器阵列10中，则光L可由第一单位像素P1至第四单位像素P4中的第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d偏振，从而形成入射至深度像素阵列100中的偏振光PL1-PL4。
如果光L入射至单位像素P1-P4中，则各偏振光栅200a-200d可允许光L的具有特定偏振分量的部分选择性地入射至深度像素DP中的相应一个上。详细地，通过第一单位像素P1的第一偏振光栅200a的光L可形成具有第一偏振分量并且入射至第一单位像素P1的深度像素DP上的第一偏振光PL1。通过第二单位像素P2的第二偏振光栅200b的光L可形成具有第二偏振分量并且入射至第二单位像素P2的深度像素DP上的第二偏振光PL2。通过第三单位像素P3的第三偏振光栅200c的光L可形成具有第三偏振分量并且入射至第三单位像素P3的深度像素DP上的第三偏振光PL3。通过第四单位像素P4的第四偏振光栅200d的光L可形成具有第四偏振分量并且入射至第四单位像素P4的深度像素DP上的第四偏振光PL4。
在第一单位像素P1至第四单位像素P4中，通过偏振器阵列200的偏振光PL1-PL4可具有彼此不同的强度。在实施例中，在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个的深度像素DP中，可计算第一偏振光PL1至第四偏振光PL4中的每一个的飞行时间。
在实施例中，包括第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d的第一单位像素P1至第四单位像素P4可构成单个光学传感器块。可分析从由第一单位像素P1至第四单位像素P4构成的光学传感器块获得的信号，以计算入射光L(即，图1的反射光)的偏振度和方向。
图4是示出设置在根据本发明构思的实施例的深度像素阵列中的4抽头结构的深度像素的电路图。
参照图4，4抽头结构的深度像素DP可包括光电转换装置PD、第一读取电路RO1至第四读取电路RO4、和溢流晶体管OX。
在深度像素DP中，第一读取电路RO1至第四读取电路RO4可共享一个光电转换装置PD和一个溢流晶体管OX。例如，一个光电转换装置PD可共同电连接至第一读取电路RO1至第四读取电路RO4。
光电转换装置PD可从入射至其的光产生电荷并存储电荷。入射至深度像素DP中的光可为通过偏振器阵列200提供的偏振光PL1-PL4，如参照图3所述。光电转换装置PD可以以光电二极管、光电晶体管、光电门、钉扎光电二极管、或它们的任何组合的形式提供。为了简单起见，下面的描述将参考其中光电二极管用作光电转换装置PD的示例。
在实施例中，第一读取电路RO1至第四读取电路RO4中的每一个可包括浮动扩散节点FD1、FD2、FD3或FD4和光电晶体管PX1、PX2、PX3或PX4，光电晶体管PX1、PX2、PX3或PX4连接至浮动扩散节点FD1、FD2、FD3或FD4和光电转换装置PD。此外，第一读取电路RO1至第四读取电路RO4中的每一个还可包括设置在浮动扩散节点FD1、FD2、FD3或FD4与光电晶体管PX1、PX2、PX3或PX4之间的俘获晶体管TGX1、TGX2、TGX3或TGX4、存储晶体管CX1、CX2、CX3或CX4和转移晶体管TX1、TX2、TX3或TX4。
在光电转换装置PD中产生的电荷可通过光电晶体管PX1-PX4、俘获晶体管TGX1-TGX4、存储晶体管CX1-CX4和转移晶体管TX1-TX4转移至浮动扩散节点FD1-FD4。
详细地，光电晶体管PX1-PX4可由光电栅极信号控制，并且用于第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的(来自光电栅电极PGA-PGD的施加至光电晶体管PX1-PX4的光电栅极的)光电栅极信号可具有彼此不同的相位。俘获晶体管TGX1-TGX4可分别由(来自俘获栅电极TGA-TGD的施加至俘获晶体管TGX1-TGX4的俘获栅极的)俘获信号控制。响应于俘获信号，俘获晶体管TGX1-TGX4可将电荷存储在其中或者可将电荷分别转移至存储晶体管CX1-CX4。响应于(来自存储栅电极SG1-SG4的施加至存储晶体管CX1-CX4的存储栅极的)存储控制信号，存储晶体管CX1-CX4可将电荷存储在其中或者可将电荷分别转移至转移晶体管TX1-TX4。转移晶体管TX1-TX4可连接在光电晶体管PX1-PX4的漏极与放大晶体管SF1-SF4的栅极之间。转移晶体管TX1-TX4可分别由(来自转移栅电极TG1-TG4的施加至转移晶体管TX1-TX4的转移栅极的)转移信号控制。以上对转移之间的连接的描述是指电连接，并且也可指物理布局连接。
虽然图中未示出，但是在实施例中，连接在存储晶体管CX1-CX4与转移晶体管TX1-TX4之间的存储二极管可设置在每个读取电路RO1-RO4中。所述存储二极管可具有类似于光电转换装置PD的结构(即，掺杂以具有与半导体衬底不同的导电类型的杂质区域)，或者可以以电容器的形式提供。
在每个读取电路RO1-RO4中，如果光电晶体管PX1-PX4导通，则可在光电转换装置PD中产生光电荷，并且当转移晶体管TX1-TX4导通时，这种光电荷可转移至浮动扩散节点FD1-FD4并且存储在浮动扩散节点FD1-FD4中。
在第一读取电路RO1至第四读取电路RO4中的每一个中，存储的电荷可通过复位晶体管RX1、RX2、RX3或RX4从浮动扩散节点FD1-FD4周期性地放电，使得浮动扩散节点FD1-FD4被复位。在每个读取电路RO1-RO4中，复位晶体管RX1-RX4可包括连接至浮动扩散节点FD1-FD4的源极、连接至电源电压VDD的漏极以及连接至复位栅电极RG1-RG4的栅极。
电荷可积累在每个读取电路RO1-RO4的浮动扩散节点FD1-FD4中，并且放大晶体管SF1-SF4可由积累在浮动扩散节点FD1-FD4中的电荷量控制。放大晶体管SF1-SF4可为源极跟随器缓冲放大器(source-follower-buffer amplifier)，其源极-漏极电流由其栅电极的电势控制。
在第一读取电路RO1至第四读取电路RO4中的每一个中，与浮动扩散节点FD1-FD4处的电势成比例的信号可由放大晶体管SF1-SF4放大，并且放大的信号可通过选择晶体管SX1-SX4输出至输出线VOUT1-VOUT4。选择晶体管SX1-SX4可连接至选择栅电极SEL。
第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的光电晶体管PX1-PX4可由相位彼此不同的光电栅极信号控制。由于光电栅极信号之间的相位差，可通过第一输出线VOUT1至第四输出线VOUT4输出不同的信号。
在每个深度像素DP中，溢流晶体管OX可由溢流控制信号OG控制。当第一转移晶体管TX1至第四转移晶体管TX4截止时，溢流晶体管OX可导通。当第一转移晶体管TX1至第四转移晶体管TX4截止时，在光电转换装置PD中产生的光电荷可通过溢流晶体管OX放电。在检测第一浮动扩散节点FD1至第四浮动扩散节点FD4中的光电荷的操作中，溢流晶体管OX可防止在光电转换装置PD中产生的电荷溢流至第一浮动扩散节点FD1至第四浮动扩散节点FD4。
在实施例中，与图4中所示的实施例不同，可从第一读取电路RO1至第四读取电路RO4中省略俘获晶体管TGX1-TGX4、存储晶体管CX1-CX4、转移晶体管TX1-TX4和溢流晶体管OX。
图5是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的深度像素阵列的示意性平面图。图6是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的深度像素阵列的平面图。图7是示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的偏振器阵列的平面图。
参照图5、图6和图7，深度像素阵列100可包括在两个正交方向(例如，第一方向D1和第二方向D2)中的每一个上布置的多个单位像素P1-P4。单位像素P1-P4可包括在第一方向D1上彼此相邻的第一单位像素P1和第二单位像素P2，在第二方向D2上与第二单位像素P2相邻的第三单位像素P3和在第二方向D2上与第一单位像素P1相邻的第四单位像素P4。第一单位像素P1至第四单位像素P4可在顺时针方向上顺序地布置。
参照图5和图6，在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个中，深度像素可包括参照图4描述的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4。在每个深度像素中，第一读取电路RO1至第四读取电路RO4可共享参照图4描述的光电转换装置PD和溢流晶体管OX，并且可包括参照图4描述的晶体管。
根据本发明构思的实施例，在深度像素阵列100中，第一单位像素P1和第二单位像素P2(以及因此用于第一单位像素P1和第二单位像素P2的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的布局、和用于第一单位像素P1和第二单位像素P2的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的电路元件)相对于平行于第二方向D2的线以镜面对称方式设置，并且第三单位像素P3和第四单位像素P4(以及因此用于第三单位像素P3和第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的布局、和用于第三单位像素P3和第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的电路元件)同样相对于平行于第二方向D2的线以镜面对称方式设置。另外，第一单位像素P1和第四单位像素P4(以及因此用于第一单位像素P1和第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的布局、和用于第一单位像素P1和第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的电路元件)可相对于平行于第一方向D1的线以镜面对称方式设置，并且第二单位像素P2和第三单位像素P3(以及因此用于第二单位像素P2和第三单位像素P3的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的布局、和用于第二单位像素P2和第三单位像素P3的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的电路元件)可相对于平行于第一方向D1的线以镜面对称方式设置。例如，第一单位像素P1至第四单位像素P4的第四读取电路RO4可在第一方向D1和第二方向D2上彼此相邻地布置。
在实施例中，如图6中所示，第一单位像素P1至第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4可分别包括第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD和第一浮动扩散节点FD1至第四浮动扩散节点FD4。在图6中，每个读取电路RO1-RO4示为包括光电栅电极PGA-PGD和浮动扩散节点FD1-FD4，但是本发明构思不限于这样的示例。例如，还可在光电栅电极PGA-PGD与浮动扩散节点FD1-FD4之间设置多个栅电极。
在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个中，第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD可布置为在第一方向D1和第二方向D2上彼此相邻。
例如，第一读取电路RO1和第二读取电路RO2的光电栅电极PGA和光电栅电极PGB以及浮动扩散节点FD1和浮动扩散节点FD2可相对于平行于第二方向D2的线以镜面对称方式设置。第三读取电路RO3和第四读取电路RO4的光电栅电极PGC和光电栅电极PGD以及浮动扩散节点FD3和浮动扩散节点FD4可相对于平行于第二方向D2的线以镜面对称方式设置。另外，第一读取电路RO1和第二读取电路RO2的光电栅电极PGA和光电栅电极PGB以及浮动扩散节点FD1和浮动扩散节点FD2、以及第三读取电路RO3和第四读取电路RO4的光电栅电极PGC和光电栅电极PGD以及浮动扩散节点FD3和浮动扩散节点FD4可相对于平行于第一方向D1的线以镜面对称方式设置。
此外，由于上述第一单位像素P1至第四单位像素P4的深度像素的对称布置，第一单位像素P1至第四单位像素P4的第四浮动扩散节点FD4可在第一方向D1和第二方向D2上设置为彼此相邻。
在实施例中，如图5和图6中所示地布置的第一单位像素P1至第四单位像素P4可构成单个块，并且多个块可在第一方向D1和第二方向D2上规则地布置。该实施例中的单位像素的每个块也被称作单位像素块或单个单位像素块，其包括以图5和图6中所示的方式布置的相同数量和布局的单位像素。
参照图7，偏振器阵列200可包括具有(例如，相对于朝右延伸的第一方向D1的)0°、45°、90°和135°的四个不同偏振方向的偏振光栅200a、200b、200c和200d。在特定实施例中，偏振器阵列200可包括具有0°和90°两个不同偏振方向的偏振光栅。
第一偏振光栅200a可设置在第一单位像素P1中，并且第一偏振光栅200a可为平行于第一方向D1延伸的线图案。第二偏振光栅200b可设置在第二单位像素P2中，并且第二偏振光栅200b可为在相对于第一方向D1成45°角的方向上延伸的线图案。第三偏振光栅200c可设置在第三单位像素P3中，并且第三偏振光栅200c可为平行于第二方向D2延伸的线图案。第四偏振光栅200d可设置在第四单位像素P4中，并且第四偏振光栅200d可为在相对于第一方向D1成135°角的方向上延伸的线图案。第一单位像素P1至第四单位像素P4中的偏振光栅200a-200d在尺寸和节距方面可实质上相同。
图8A、图8B和图8C是沿着图5和图7的线I-I'截取的剖视图，用于示出根据本发明构思的实施例的图像传感器。
参照图5、图7、图8A、图8B和图8C，根据本发明构思的实施例的图像传感器可包括深度像素阵列100、偏振器阵列200和微透镜阵列。当在剖视图中看时，偏振器阵列200可设置在包括微透镜ML的微透镜阵列与深度像素阵列100之间。
深度像素阵列100可包括半导体衬底100s、设置为限定半导体衬底100s中的单位像素P1-P4的像素隔离结构110、以及分别设置在单位像素P1-P4中的光电转换装置PD。
详细地，半导体衬底100s可具有彼此相对的第一表面或前表面100a和第二表面或后表面100b。在实施例中，可提供其中第一导电类型(例如，p型)的外延层形成在该第一导电类型的体硅衬底上的衬底用于半导体衬底100s，并且在制造图像传感器的处理中，可去除体硅衬底，从而仅保留p型外延层。在特定实施例中，半导体衬底100s可为其中形成有第一导电类型的阱的体半导体晶圆。
半导体衬底100s可包括由像素隔离结构110限定的第一单位像素P1至第四单位像素P4。第一单位像素P1至第四单位像素P4可(例如，在如上所述的第一方向D1和第二方向D2上)以矩阵形状布置。
当在平面图中看时，像素隔离结构110可设置为包围第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个。详细地，像素隔离结构110可包括平行于第一方向D1延伸的第一部分、和平行于第二方向D2延伸以与第一部分交叉的第二部分。当在平面图中看时，像素隔离结构110可包围光电转换装置PD中的每一个。
像素隔离结构110可由折射率低于半导体衬底100s(例如，硅)的折射率的绝缘材料形成，并且可包括一个或多个绝缘层。例如，像素隔离结构110可由氧化硅层、氮化硅层、未掺杂的多晶硅层、气态材料、或它们的任意组合形成。像素隔离结构110的形成可包括将半导体衬底100s的第一表面100a和/或第二表面100b图案化以形成深沟槽、和用绝缘材料填充所述深沟槽。
光电转换装置PD可分别设置在半导体衬底100s的第一单位像素P1至第四单位像素P4中。光电转换装置PD可在第一方向D1和第二方向D2上二维地布置。在实施例中，可通过将杂质注入半导体衬底100s中形成光电转换装置PD，并且光电转换装置PD可具有与半导体衬底100s的第一导电类型不同的第二导电类型。在这种情况下，第一导电类型的半导体衬底100s和第二导电类型的光电转换装置PD可形成用作光电二极管的pn结。光电转换装置PD可将穿过偏振器阵列200的光转换为电信号。
在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个中，参照图4描述的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4可设置在半导体衬底100s的第一表面100a上。
详细地，当在平面图中看时，第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD可与第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个的中间部分重叠。栅绝缘层可介于第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD与半导体衬底100s之间。
作为示例，在单位像素P1-P4中，存储栅电极SG1-SG4可与第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD相邻地设置。另外，存储二极管区域SD1和存储二极管区域SD2可设置在存储栅电极SG1-SG4与图4的转移晶体管TX1-TX4之间以及半导体衬底100s中。可通过将杂质注入半导体衬底100s中形成存储二极管区域SD1和存储二极管区域SD2，并且存储二极管区域SD1和存储二极管区域SD2可具有与半导体衬底100s不同的导电类型。在平面图中，存储二极管区域SD1和存储二极管区域SD2可与存储栅电极SG1-SG4部分地重叠。在光电转换装置PD中产生的电荷可存储在存储二极管区域SD1和存储二极管区域SD2中。
此外，虽然在图8A至图8C中未示出，但是可通过将杂质注入半导体衬底100s中形成浮动扩散节点FD1-FD4，并且浮动扩散节点FD1-FD4可具有与半导体衬底100s不同的导电类型。例如，浮动扩散节点FD1-FD4可为掺杂在半导体衬底100s中的n型杂质区域。
另外，阻挡杂质区域105可设置在半导体衬底100s中。当在剖视图中看时，阻挡杂质区域105可设置在光电转换装置PD和存储二极管区域SD1和SD2与浮动扩散节点FD1-FD4之间。可通过将杂质注入半导体衬底100s中形成阻挡杂质区域105，并且阻挡杂质区域105可具有与半导体衬底100s相同的导电类型。
在实施例中，固定的电荷层210可设置在半导体衬底100s的第二表面100b上，并且偏振光栅200a-200d可设置在固定的电荷层210上。
固定的电荷层210覆盖半导体衬底100s的第二表面100b。固定的电荷层210可形成在半导体衬底100s的第二表面100b上。在一些实施例中，固定的电荷层210可形成为接触半导体衬底100s的第二表面100b。如本文所用，术语“接触”是指直接连接(即，触碰)。固定的电荷层210可包括负电荷，并且负电荷可与可由半导体衬底100s的第二表面100b上的表面缺陷产生的空穴耦合。因此，可抑制可能从半导体衬底100s的第二表面100b产生的黑电流。例如，固定的电荷层210可由Al2O3、CeF3、HfO2、ITO、MgO、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、Ge、ZnSe、ZnS和PbF2中的至少一者形成或者可包括它们中的至少一者。
在每个单位像素P1-P4中，偏振光栅200a-200d可彼此平行，并且可具有线形。当在平面图中看时，偏振光栅200a-200d可与每个光电转换装置PD交叉。
详细地，如图7和图8A所示，第一单位像素P1中的第一偏振光栅200a可为平行于第一方向D1的线形图案。第二单位像素P2中的第二偏振光栅200b可为与第一偏振光栅200a成45°角的线形图案。第三单位像素P3中的第三偏振光栅200c可为与第一偏振光栅200a成90°角的线形图案。第四单位像素P4中的第四偏振光栅200d可为与第一偏振光栅200a成135°角的线形图案。如本文所讨论，并且为了易于描述，在同一方向上延伸的一组偏振光栅线(例如，单位像素P1-P4中的任一个中的光栅组)可被称作光栅块。光栅块中的单独线可被称作光栅线。
在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个中，第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d可布置为具有均匀的宽度和均匀的高度，并且可彼此间隔开特定距离。例如，每个偏振光栅块可布置为具有偏振光栅线，每条线与块中的其它线具有相同的宽度和高度，其中光栅块中的光栅线彼此等间隔。此外，从平面图中，每个偏振光栅块可与其它偏振光栅块具有相同的尺寸和形状，并且所有偏振光栅块中的偏振光栅线可在垂直于它们延伸的方向的方向上具有相同的高度和相同的宽度，并且可彼此间隔开相同的距离。
第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d中的每一个可包括顺序地堆叠的导电图案212和电介质图案214。这里，导电图案212可由诸如钨、铝、钛、钽或铜的金属材料形成或者可包括所述金属材料。电介质图案214可由诸如SiN、SiON、SiC、SICN或SiCO的绝缘材料形成或者可包括所述绝缘材料。
第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d的形成可包括在固定的电荷层210上顺序地沉积电介质层和导电层，并且随后对导电层和电介质层进行图案化。
绝缘平坦化层260可设置在设置有第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d的固定的电荷层210上。绝缘平坦化层260可设置为填充第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d之间的间隙。例如，绝缘平坦化层260可由Al2O3、CeF3、HfO2、ITO、MgO、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、Ge、ZnSe、ZnS和PbF2中的至少一者形成或者可包括它们中的至少一者。在实施例中，绝缘平坦化层260可由具有高折射率的至少一种有机材料(例如，硅氧烷树脂、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺、丙烯酸、聚丙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等)形成或者可包括该至少一种有机材料。在特定实施例中，例如，绝缘平坦化层260可由钛酸锶(SrTiO3)、聚碳酸酯、玻璃、溴、蓝宝石、立方氧化锆、铌酸钾(KNbO3)、莫桑石(SiC)、磷化镓(III)(GaP)、砷化镓(III)(GaAs)等中的至少一者形成或者可包括它们中的至少一者。
参照图8B，第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d中的每一个可包括设置在固定的电荷层210上的第一电介质图案222和覆盖第一电介质图案222的第二电介质层224。这里，第一电介质图案222可由折射率与第二电介质层224的折射率不同的电介质材料形成或者可包括该电介质材料。另外，第一电介质图案222中的每一个可具有彼此相对的倾斜侧壁。例如，第一电介质图案222可包括楔形片或部分。第二电介质层224可设置为共形地覆盖第一电介质图案222的暴露表面。
参照图8C，第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d可设置在半导体衬底100s的第二表面100b上，并且可从半导体衬底100s的第二表面100b形成。
第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d可为凹陷区域，其通过在半导体衬底100s的第二表面100b上形成蚀刻掩模图案并且随后利用蚀刻掩模图案各向异性地蚀刻半导体衬底100s的第二表面100b而形成。第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d可为半导体衬底100s的部分。在半导体衬底100s中形成的凹陷区域可由彼此相对的倾斜表面限定。换句话说，第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d可具有楔形。
固定的电荷层210可设置为共形地覆盖设置在半导体衬底100s的第二表面100b上的第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d。固定的电荷层210接触第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d。
抗反射层230可设置在设置有第一偏振光栅200a至第四偏振光栅200d的半导体衬底100s的第二表面100b上。抗反射层230可设置在固定的电荷层210与绝缘平坦化层260之间。例如，抗反射层230可由SiON、SiC、SICN和SiCO中的至少一者形成或者可包括SiON、SiC、SICN和SiCO中的至少一者。
参照图8A至图8C，微透镜ML可设置在绝缘平坦化层260上，以分别对应于光电转换装置PD。微透镜ML可在两个不同的方向(例如，第一方向D1和第二方向D2)上二维地布置。微透镜ML可具有向上凸的形状，并且可具有特定曲率半径。微透镜ML可改变将入射至图像传感器中的光的路径，以会聚入射光。微透镜ML可由光学透明树脂形成或者可包括该光学透明树脂。
图9是示出图4的图像传感器中的深度像素的操作的时序图。
参照图4、图5、图6、图7和图9，可从光源1向对象O发射脉冲光信号EL，如图1所示。光信号EL的部分可被对象O反射，以形成入射至单位像素P1-P4上的反射光，这里，与光信号EL相比，反射光可被延迟。虽然光信号EL的每个脉冲在图9中示出为具有矩形波形，但是光信号EL也可以正弦波的形式提供。
在每个单位像素P1-P4中，可将与提供至对象O(例如，见图1)的光信号EL(例如，见图1)同步的第一光电控制信号PGA_0施加至第一光电栅电极PGA，并且可将相对于第一光电控制信号PGA_0具有180°相位差的第三光电控制信号PGC_180施加至第三光电栅电极PGC。可将相对于第一光电控制信号PGA_0具有90°相位差的第二光电控制信号PGB_90施加至第二光电栅电极PGB，并且可将相对于第二光电控制信号PGB_90具有180°相位差的第四光电控制信号PGD_270施加至第四光电栅电极PGD。
在深度像素具有4抽头结构的情况下，可在一次采样周期中将第一光电控制信号至第四光电控制信号PGA_0、PGB_90、PGC_180和PGD_270以特定时间间隔顺序地施加至第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD。
施加至第一光电栅电极PGA至第四光电栅电极PGD的第一光电控制信号PGA_0至第四光电控制信号PGD_270可导致光电转换装置PD的电势改变。
从第一浮动扩散节点FD1至第四浮动扩散节点FD4检测到的电荷量可根据反射的光信号RL与第一光电控制信号至第四光电控制信号重叠的长度而变化。另外，从每个单位像素P1-P4中的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4输出的信号可包含从偏振光获得的深度信息。
详细地，可通过第一组第一读取电路RO1至第四读取电路RO4将穿过第一单位像素P1中的第一偏振光栅200a并且具有第一偏振分量的光输出为彼此不同的电信号。可通过第二组第一读取电路RO1至第四读取电路RO4将穿过第二单位像素P2中的第二偏振光栅200b并且具有第二偏振分量的光输出为彼此不同的电信号。可通过第三组第一读取电路RO1至第四读取电路RO4将穿过第三单位像素P3中的第三偏振光栅200c并且具有第三偏振分量的光输出为彼此不同的电信号。可通过第四组第一读取电路RO1至第四读取电路RO4将穿过第四单位像素P4中的第四偏振光栅200d并且具有第四偏振分量的光输出为彼此不同的电信号。
图10A是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的图。图10B是示出图10A中所示的图像传感器的深度像素阵列的平面图。
参照图10A，每组第一单位像素P1至第四单位像素P4可构成单个光学传感器块，并且多个光学传感器块可在第一方向D1和第二方向D2上二维地布置。
第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个可包括偏振光栅200a-200d之一、和包括第一读取电路RO1至第四读取电路RO4的深度像素，如上所述。第一单位像素P1至第四单位像素P4的偏振光栅200a-200d可具有彼此不同的偏振方向，如先前参照图7的描述。
第一单位像素P1可包括第一偏振光栅200a和对应于该第一偏振光栅200a的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4。第二单位像素P2可包括第二偏振光栅200b和对应于该第二偏振光栅200b的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4。第三单位像素P3可包括第三偏振光栅200c和对应于该第三偏振光栅200c的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4。第四单位像素P4可包括第四偏振光栅200d和对应于该第四偏振光栅200d的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4。
在深度像素阵列100中，在第一方向D1上彼此相邻的第一单位像素P1和第二单位像素P2可相对于平行于第二方向D2的线以镜面对称方式设置。此外，第一单位像素P1和第二单位像素P2与第三单位像素P3和第四单位像素P4可相对于平行于第一方向D1的线以镜面对称方式设置。因此，第一单位像素P1至第四单位像素P4的第四读取电路RO4可设置为在第一方向D1和第二方向D2上彼此相邻。另外，第一读取电路RO1至第三读取电路RO3可以相同方式布置。
在图10A和图10B所示的实施例中，通过执行感测由第一单位像素P1至第四单位像素P4构成的单个光学传感器块的一次操作，可获得关于四个方向的偏振状态的信息和由四个不同相位的光电栅极信号产生的深度信息。
此外，可选择性地获得偏振信息或深度信息，这取决于如何选择区域S1、S2或S3以对要从第一单位像素P1至第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4输出的信号求和。
作为示例，通过对从第一单位像素P1的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4输出的第一输出信号至第四输出信号求和，可获得关于具有第一偏振状态的第一偏振光PL1(例如，见图3)的深度信息。通过对从第二单位像素P2的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4输出的第一输出信号至第四输出信号求和，可获得关于具有第二偏振状态的第二偏振光PL1(例如，见图3)的深度信息。通过对从第三单位像素P3的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4输出的第一输出信号至第四输出信号求和，可获得关于具有第三偏振状态的第三偏振光PL3(例如，见图3)的深度信息。通过对从第四单位像素P4的第一读取电路RO1至第四读取电路RO4输出的第一输出信号至第四输出信号求和，可获得关于具有第四偏振状态的第四偏振光PL4(例如，见图3)的深度信息。
在实施例中，通过对从第一单位像素P1至第四单位像素P4的第四读取电路(即，区域S2)(即，四个第四读取电路)输出的第四输出信号求和，可获得深度信息。例如，深度信息可包含穿过第一偏振光栅至第四偏振光栅并且具有第一偏振分量至第四偏振分量的偏振光PL1、PL2、PL3和PL4(例如，见图3)的均值。
在实施例中，通过由具有四个不同相位的光电栅极信号获得分别从第一读取电路RO1至第四读取电路RO4(即，区域S3)输出的第一输出信号至第四输出信号，可获得深度信息。
图11是示出设置在根据本发明构思的实施例的图像传感器的深度像素阵列中的2抽头结构的深度像素的电路图。2抽头结构与4抽头结构的不同在于：每单位像素的2抽头结构仅具有两个读取电路，而每单位像素的4抽头结构具有四个读取电路。将省略与先前参照图4描述的基本相同的特征。
参照图11，2抽头结构的深度像素可包括光电转换装置PD、第一读取电路RO1和第二读取电路RO2、以及溢流晶体管OX。
第一读取电路RO1和第二读取电路RO2可被构造为具有与先前参照图4描述的第一读取电路RO1和第二读取电路RO2实质上相同的结构。另外，第一读取电路RO1和第二读取电路RO2可共享一个光电转换装置PD和一个溢流晶体管OX。
图12A、图13A和图14A中的每一个是示意性地示出根据本发明构思的实施例的图像传感器的有源像素传感器阵列的图。图12B、图13B、图14B和图14C中的每一个是示出图12A、图13A和图14A中所示的图像传感器中的相应一个的深度像素阵列的平面图。
参照图12A至图14A，深度像素阵列100中的第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个可包括一个光电转换装置PD、第一读取电路RO1和第二读取电路RO2和溢流晶体管OX，如参照图11的描述。
偏振器阵列200可包括分别设置在第一单位像素P1至第四单位像素P4中并且在不同方向上对齐的偏振光栅200a-200d，如上所述。
第一单位像素P1可包括第一偏振光栅200a和对应于该第一偏振光栅200a的第一读取电路RO1和第二读取电路RO2。第二单位像素P2可包括第二偏振光栅200b和对应于该第二偏振光栅200b的第一读取电路RO1和第二读取电路RO2。第三单位像素P3可包括第三偏振光栅200c和对应于该第三偏振光栅200c的第一读取电路RO1和第二读取电路RO2。第四单位像素P4可包括第四偏振光栅200d和对应于该第四偏振光栅200d的第一读取电路RO1和第二读取电路RO2。
如上所述，第一单位像素P1至第四单位像素P4可构成单个光学传感器块，并且多个光学传感器块可在第一方向D1和第二方向D2上二维地布置。
参照图12A和图12B，在深度像素阵列100中，第一单位像素P1和第二单位像素P2(它们中的每一个包括第一读取电路RO1和第二读取电路RO2)可在第一方向D1上交替地布置。另外，第三单位像素P3和第四单位像素P4(它们中的每一个包括第一读取电路RO1和第二读取电路RO2)可在第一方向D1上交替地布置。这里，第一单位像素P1和第二单位像素P2的第一读取电路RO1可彼此相邻，并且第一单位像素P1和第二单位像素P2的第二读取电路RO2可彼此相邻。相似地，第三单位像素P3和第四单位像素P4的第一读取电路RO1可彼此相邻，并且第三单位像素P3和第四单位像素P4的第二读取电路RO2可彼此相邻。
参照图13A和图13B，在第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个中，第一读取电路RO1和第二读取电路RO2可在相对于第一方向D1和第二方向D2成对角线的方向上布置。
在第一方向D1上彼此相邻的第一单位像素P1和第二单位像素P2可以以镜面对称方式设置，并且在第一方向D1上彼此相邻的第三单位像素P3和第四单位像素P4可以以镜面对称方式设置。另外，在第二方向D2上彼此相邻的第一单位像素P1和第四单位像素P4可以以镜面对称方式设置，并且在第二方向D2上彼此相邻的第二单位像素P2和第三单位像素P3可以以镜面对称方式设置。彼此相邻的第一单位像素P1至第四单位像素P4可在第一方向D1和第二方向D2上以镜面对称方式设置。
参照图14A、图14B和图14C，第一单位像素P1至第四单位像素P4中的每一个可包括一对读取电路，并且相邻的一对单位像素可被构造为从具有四个不同相位的光电栅极信号获得深度信息。
例如，如图14A和图14B中所示，第一单位像素P1和第三单位像素P3中的每一个可包括第一读取电路RO1和第二读取电路RO2，并且第二单位像素P2和第四单位像素P4中的每一个可包括第三读取电路RO3和第四读取电路RO4。这里，第三读取电路RO3和第四读取电路RO4可分别与第一读取电路RO1和第二读取电路RO2实质上相同。在该实施例中，在第一方向D1或第二方向D2上彼此相邻的一对单位像素可构成参照图4描述的4抽头结构的深度像素。
可将相对于彼此具有180°的相位差的第一光电栅极信号和第二光电栅极信号施加至第一读取电路RO1和第二读取电路RO2的光电栅电极，并且可将相对于彼此具有180°的相位差的第三光电栅极信号和第四光电栅极信号施加至第三读取电路RO3和第四读取电路RO4的光电栅电极。这里，第三光电栅极信号和第四光电栅极信号可具有与第一光电栅极信号和第二光电栅极信号不同的相位。
详细地，在第一方向D1上彼此相邻的第一单位像素P1和第二单位像素P2可以以镜面对称方式设置，并且在第一方向D1上彼此相邻的第三单位像素P3和第四单位像素P4可以以镜面对称方式设置。在第二方向D2上彼此相邻的第一单位像素P1和第四单位像素P4可以以镜面对称方式设置，并且在第二方向D2上彼此相邻的第二单位像素P2和第三单位像素P3可以以镜面对称方式设置。
因此，第一单位像素P1和第三单位像素P3的第二读取电路RO2可在对角线方向上彼此相邻，并且第二单位像素P2和第四单位像素P4的第四读取电路RO4可在对角线方向上彼此相邻。另外，第一单位像素P1和第三单位像素P3的第一读取电路RO1可在对角线方向上彼此相邻，并且第二单位像素P2和第四单位像素P4的第三读取电路RO3可在对角线方向上彼此相邻。
在实施例中，如图14C中所示，第一单位像素P1和第二单位像素P2中的每一个可包括第一读取电路RO1和第二读取电路RO2，并且第三单位像素P3和第四单位像素P4中的每一个可包括第三读取电路RO3和第四读取电路RO4。
在第一方向D1上彼此相邻的第一单位像素P1和第二单位像素P2可以以镜面对称方式设置，并且在第一方向D1上彼此相邻的第三单位像素P3和第四单位像素P4可以以镜面对称方式设置。
第一单位像素P1和第二单位像素P2的第二读取电路RO2可在第一方向D1上彼此相邻，并且第三单位像素P3和第四单位像素P4的第四读取电路RO4可在第一方向D1上彼此相邻。由于光学传感器块(它们中的每一个由第一单位像素P1至第四单位像素P4构成)二维地布置，因此第三单位像素P3和第四单位像素P4的第三读取电路RO3可在第一方向D1上彼此相邻，并且第一单位像素P1和第二单位像素P2的第一读取电路RO1可在第一方向D1上彼此相邻。
图15是示出图11中所示的图像传感器中的深度像素的操作的时序图。
参照图15，可从光源1向对象O发射脉冲光信号EL，如图1所示。虽然光信号EL的每个脉冲在图15中示出为具有矩形波形，但是光信号EL也可以正弦波的形式提供。光信号EL的部分可被对象反射，以形成入射至单位像素P1-P4中的反射光。与光信号EL相比，反射光可被延迟。
在每个单位像素P1-P4中，可将与提供至对象的光信号EL同步的第一光电控制信号PGA_0施加至第一光电栅电极PGA，并且可将相对于第一光电控制信号PGA_0具有180°相位差的第二光电控制信号PGA_180施加至第二光电栅电极PGB。可交替地激活第一光电控制信号PGA_0和第二光电控制信号PGA_180。
然后，可将相对于第一光电控制信号PGA_0具有90°相位差的第三光电控制信号PGB_90施加至第一光电栅电极PGA，并且可将相对于第三光电控制信号PGB_90具有180°相位差的第四光电控制信号PGB_270施加至第二光电栅电极PGB。在施加第一光电控制信号PGA_0和第二光电控制信号PGA_180之后，可以以特定时间间隔顺序地施加第三光电控制信号PGB_90和第四光电控制信号PGB_270。
施加至第一光电栅电极PGA和第二光电栅电极PGB的第一光电控制信号PGA_0和第二光电控制信号PGA_180或第三光电控制信号PGB_90和第四光电控制信号PGB_270可导致光电转换装置PD的电势改变。
可响应于第一光电控制信号PGA_0和第二光电控制信号PGA_180检测第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2中的光电荷，并且随后可响应于第三光电控制信号PGB_90和第四光电控制信号PGB_270检测第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2中的光电荷。
详细地，当通过第一光电控制信号PGA_0将高电压施加至第一光电栅电极PGA时，在光电转换装置PD中产生的光电荷可转移至第一浮动扩散节点FD1。在第一浮动扩散节点FD1中积累的光电荷可通过第一读取电路RO1输出作为第一像素信号。另外，当通过第二光电控制信号PGA_180将正电压施加至第二光电栅电极PGB时，在光电转换装置PD中产生的光电荷可转移至第二浮动扩散节点FD2。在第二浮动扩散节点FD2中积累的光电荷可通过第二读取电路RO2输出作为第二像素信号。
可根据反射的光信号RL与第一光电控制信号PGA_0和第二光电控制信号PGA_180重叠的长度来改变从第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2检测到的电荷量。
详细地，可基于在反射的光信号RL与第一光电控制信号PGA_0的重叠时间期间从第一浮动扩散节点FD1测量的电荷量与在反射的光信号RL与第二光电控制信号PGA_180的重叠时间期间从第二浮动扩散节点FD2测量的电荷量之间的差来检测反射光的延迟时间。然后，可基于在反射的光信号RL与第三光电控制信号PGB_90的重叠时间期间从第一浮动扩散节点FD1测量的电荷量与在反射的光信号RL与第四光电控制信号PGB_270的重叠时间中从第二浮动扩散节点FD2测量的电荷量之间的差来检测反射光的延迟时间。可将从第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2输出的信号之间的差检测两次，并且检测到的信号差可用于测量光源与对象之间的距离(即，光学深度)。
根据本发明构思的实施例，公开了一种其中堆叠有偏振器阵列和深度像素阵列的图像传感器，并且公开了用于容易提取偏振信息和深度信息的偏振器阵列和深度像素阵列的各种布置方式。因此，可估计更精确的三维图像。
诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数可简单用作特定元件、步骤等的标签以将这些元件、步骤等彼此区分。在说明书中未使用“第一”、“第二”等描述的术语在权利要求中仍可称为“第一”、“第二”。另外，用特定序数(例如，特定权利要求中的“第一”)引用的术语在别处可以用不同的序数(例如，在说明书中或另一权利要求中用“第二”)来描述。
尽管已经具体示出和描述了本发明构思的示例实施例，但是本领域普通技术人员应理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可在其中作出各种形式和细节上的改变。

Claims (25)

1.一种图像传感器，包括：
偏振器阵列，其包括在彼此交叉的第一方向和第二方向上布置的第一单位像素至第四单位像素，所述偏振器阵列包括分别设置在所述第一单位像素至所述第四单位像素中的偏振光栅，其中，所述第一单位像素至所述第四单位像素的所述偏振光栅具有彼此不同的偏振方向；以及
深度像素阵列，其包括分别对应于所述第一单位像素至所述第四单位像素的深度像素，所述深度像素中的每一个深度像素包括光电转换装置、以及共同连接至所述光电转换装置的第一读取电路和第二读取电路。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一读取电路和所述第二读取电路中的每一个包括：
浮动扩散节点；以及
光电栅电极，其连接在所述光电转换装置与所述浮动扩散节点之间。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一读取电路和所述第二读取电路中的每一个还包括：
转移栅电极，其位于所述光电栅电极与所述浮动扩散节点之间；
存储栅电极，其位于所述转移栅电极与所述光电栅电极之间；以及
俘获栅电极，其位于所述光电栅电极与所述存储栅电极之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：微透镜阵列，其包括分别对应于所述第一单位像素至所述第四单位像素的多个微透镜，
其中，当在剖视图中看时，所述偏振器阵列设置在所述微透镜阵列与所述深度像素阵列之间。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一单位像素至所述第四单位像素分别包括第一偏振光栅至第四偏振光栅，
所述第一偏振光栅平行于所述第一方向延伸，
所述第二偏振光栅在相对于所述第一方向成45°角的方向上延伸，
所述第三偏振光栅平行于所述第二方向延伸，
所述第四偏振光栅在相对于所述第一方向成135°角的方向上延伸，并且
所述第一单位像素至所述第四单位像素在顺时针方向上顺序地布置。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一单位像素和所述第二单位像素在所述第一方向上彼此相邻地设置，
所述第一单位像素和所述第二单位像素的所述第一读取电路相对于平行于所述第二方向的线并且在所述第一单位像素与所述第二单位像素之间以镜面对称方式设置，并且
所述第一单位像素和所述第二单位像素的所述第二读取电路相对于所述线并且在所述第一单位像素与所述第二单位像素之间以镜面对称方式设置。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，在所述深度像素中的每一个深度像素中，所述第一读取电路和所述第二读取电路在所述第一方向上彼此相邻地布置。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，在所述深度像素中的每一个深度像素中，所述第一读取电路和所述第二读取电路在与所述第一方向和所述第二方向不同的第三方向上彼此相邻地布置。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述深度像素阵列的所述深度像素中的每一个深度像素还包括共享所述光电转换装置的第三读取电路和第四读取电路。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述第三读取电路和所述第四读取电路中的每一个包括：
浮动扩散节点；以及
光电栅电极，其连接在所述光电转换装置与所述浮动扩散节点之间。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述第一单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路和所述第二单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路相对于平行于所述第二方向的线并且在所述第一单位像素与所述第二单位像素之间以镜面对称方式设置，并且
所述第一单位像素和所述第二单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路和所述第三单位像素和所述第四单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路相对于平行于所述第一方向的线以镜面对称方式设置。
12.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，其具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且包括多个像素区域；
光电转换装置，其分别位于所述半导体衬底的所述像素区域中；
第一读取电路和第二读取电路，其位于所述像素区域中的每一个像素区域中的所述半导体衬底的所述第一表面上；以及
偏振器阵列，其位于所述半导体衬底的所述第二表面上，所述偏振器阵列包括分别设置在所述像素区域中的偏振光栅，其中，所述像素区域的所述偏振光栅具有彼此不同的偏振方向。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述像素区域包括第一像素区域至第四像素区域，
所述偏振器阵列包括分别设置在所述第一像素区域至所述第四像素区域中的第一偏振光栅至第四偏振光栅，并且
所述第一偏振光栅至所述第四偏振光栅具有彼此不同的偏振方向。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，在所述像素区域中的每一个像素区域中，所述偏振光栅的偏振光栅线布置为具有均匀的宽度和均匀的高度，并且彼此间隔开特定距离。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述偏振光栅包括：导电图案和电介质图案，其堆叠在所述半导体衬底的所述第二表面上。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，在所述像素区域中的每一个像素区域中，所述偏振光栅包括设置在所述半导体衬底的所述第二表面上的第一电介质图案、和覆盖所述第一电介质图案的电介质层，并且
所述第一电介质图案具有折射率与所述电介质层的折射率不同的电介质材料。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述第一电介质图案具有彼此相对的倾斜侧壁。
18.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，在所述像素区域中的每一个像素区域中，所述偏振光栅包括限定在所述半导体衬底的所述第二表面中的凹陷区域，并且
所述凹陷区域由彼此相对的倾斜表面限定。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，还包括：抗反射层，其覆盖所述半导体衬底的所述第二表面，
其中，所述抗反射层填充所述凹陷区域。
20.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括：固定的电荷层，其覆盖所述半导体衬底的所述第二表面，
其中，所述偏振光栅布置在所述固定的电荷层上。
21.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括：第三读取电路和第四读取电路，其设置在所述像素区域中的每一个像素区域中的所述半导体衬底的所述第一表面上。
22.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括：微透镜阵列，其包括在所述半导体衬底的所述第二表面上二维地布置的微透镜，
其中，当在剖视图中看时，所述偏振器阵列设置在所述微透镜阵列与所述半导体衬底之间。
23.一种图像传感器，包括：
偏振器阵列，其包括二维地布置的第一单位像素至第四单位像素，并且包括分别设置在所述第一单位像素至所述第四单位像素中并且具有彼此不同的偏振方向的偏振光栅；
深度像素阵列，其包括分别对应于所述第一单位像素至所述第四单位像素的深度像素，所述深度像素中的每一个深度像素包括光电转换装置和连接至所述光电转换装置的第一读取电路至第四读取电路；以及
微透镜阵列，其包括分别对应于所述第一单位像素至所述第四单位像素的微透镜，
其中，所述偏振器阵列设置在所述微透镜阵列与所述深度像素阵列之间。
24.根据权利要求23所述的图像传感器，其中，所述第一单位像素至所述第四单位像素在顺时针方向上顺序地设置，以构成单个光学传感器块，并且
多个所述光学传感器块在彼此交叉的第一方向和第二方向上二维地布置。
25.根据权利要求24所述的图像传感器，其中，所述第一单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路和所述第二单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路相对于平行于所述第二方向的线以镜面对称方式设置，并且
所述第一单位像素和所述第二单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路和所述第三单位像素和所述第四单位像素的所述第一读取电路至所述第四读取电路相对于平行于所述第一方向的线以镜面对称方式设置。
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