CN112820745A - 图像感测装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种图像感测装置。该图像感测装置包括半导体基板和透镜层。半导体基板包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且包括响应于经由第一表面入射到光电转换元件的光而产生光电荷的光电转换元件。透镜层设置在半导体基板上方，以将通过半导体基板的第一表面的光引导至基板透镜中，基板透镜进一步将入射光引导至光电转换元件中。半导体基板被构造为包括基板透镜，基板透镜是通过将第一表面蚀刻至预定深度而形成的并且位于第一表面与光电转换元件之间以将入射光经由第一表面引导至光电转换元件。
Description
技术领域
本专利文档中公开的技术和实现总体上涉及图像感测装置。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。随着计算机工业和通信工业的最近发展，对高质量和高性能图像传感器的需求在例如数码相机、便携式摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、监控相机、医疗微型相机、机器人等的各个领域和应用中迅速增长。
为了使用图像传感器获取三维(3D)图像，需要3D图像的颜色信息以及目标对象与图像传感器之间的距离(或深度)。
用于获取关于目标对象与图像传感器之间的距离的信息的技术可以分类为被动方法和主动方法。
被动方法可以在不向目标对象主动发射光以获得除由图像传感器捕获的图像之外的附加测量的情况下仅使用目标对象的图像信息来计算目标对象与图像传感器之间的距离。被动方法可以应用于立体相机。
主动方法向目标对象引导光以获得关于对象-传感器距离的附加测量，并且可以分类为三角测量方法、飞行时间(TOF)方法等。在从与图像传感器间隔开预定距离的光源(例如，激光源)发射光之后，三角测量方法可以感测从目标对象反射的光，并且可以使用感测结果来计算目标对象与图像传感器之间的距离。在已经从光源向目标对象发射光之后，TOF方法可以测量光从目标对象反射并返回到图像传感器的持续时间，使得TOF方法可以使用测量结果来计算目标对象和图像传感器之间的距离。
发明内容
所公开的技术的各种实施方式涉及一种用于提高光的利用效率的图像感测装置。
根据所公开的技术的实施方式，图像感测装置可以包括：半导体基板，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且被配置为包括光电转换元件，光电转换元件响应于经由第一表面入射到光电转换元件的光而产生光电荷；以及透镜层，其设置在半导体基板上方，以将通过半导体基板的第一表面的光引导至基板透镜中，基板透镜进一步将入射光引导至光电转换元件中。半导体基板被构造为包括基板透镜，基板透镜是通过将第一表面蚀刻至预定深度而形成的并且位于第一表面与光电转换元件之间，以将入射光经由第一表面引导至光电转换元件。
根据所公开的技术的另一实施方式，图像感测装置可以包括：光电转换元件，其设置在半导体基板中，并且被配置为对入射到光电转换元件上的光执行光电转换；基板透镜，其在半导体基板中设置于光电转换元件上方，并且被配置为允许入射光会聚在光电转换元件上；以及透镜层，透镜层设置在半导体基板上方，并被配置为将入射光引导至基板透镜，基板透镜进一步将入射光引导至光电转换元件。
应当理解，所公开的技术的前述概括描述和以下详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。
附图说明
参照结合附图考虑的以下详细描述，所公开的技术的以上和其它特征以及有益方面将变得显而易见。
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。
图2是例示基于所公开的技术的一些实现的、形成于图1所示的像素阵列中的任何一个单位像素区域中的基板透镜的一个示例的图。
图3是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素结构的一个示例的截面图。
图4是例示基于所公开的技术的一些实现的形成于图3所示的像素阵列中的任何一个单位像素区域中的基板透镜的另一示例的图。
图5是例示基于所公开的技术的一些实现的、其中光通过图3所示的基板透镜会聚在光电转换元件上的单位像素区域的一个示例的截面图。
图6A是例示基于所公开的技术的一些实现的、在图5所示的第一沟槽透镜中行进的光的图的示例。
图6B是例示基于所公开的技术的一些实现的、在第二沟槽透镜中以及在第二沟槽透镜之间行进的光的图的示例。
图7是例示基于所公开的技术的一些实现的、沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素结构的另一示例的截面图。
图8是例示基于所公开的技术的一些实现的沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素结构的另一示例的截面图。
图9是例示基于所公开的技术的一些实现的、形成于图1所示的像素阵列中的任何一个单位像素区域中的基板透镜的另一示例的图。
图10是例示基于所公开的技术的一些实现的、沿着图9所示的线B-B′截取的单位像素结构的一个示例的截面图。
图11是例示基于所公开的技术的一些实现的、沿着图9所示的线B-B′截取的单位像素结构的另一示例的截面图。
图12是例示基于所公开的技术的实现的单位像素的另一示例的截面图。
具体实现
本专利文档提供了能够允许入射光会聚在光电转换元件上从而提高光的利用效率的图像感测装置的各种实现。
现在将详细参照一些实施方式，其示例在附图中示出。在整个附图中，将尽可能使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。在以下描述中，将省略在本文中并入的相关已知配置或功能的详细描述，以避免使主题变得模糊。
图1是例示基于所公开的技术的一些实现的图像感测装置的示例的框图。
参照图1，图像感测装置可以通过将光引导至对象并使用飞行时间(TOF)原理来测量距离。图像感测装置可以包括光源100、透镜模块200、像素阵列300和控制电路400。
一旦从控制电路400接收到时钟信号MLS，光源100可以向目标对象1发射光。光源100可以是用于发射红外光或可见光的激光二极管(LD)或发光二极管(LED)，或者可以是近红外激光(NIR)、点光源、与白灯或单色仪组合的单色光源、和/或其它激光源的组合中的任何一种。例如，光源100可以发射具有800nm至1000nm的波长的红外光。尽管为了便于描述，图1仅示出了一个光源100，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，并且也可以在透镜模块200的附近布置多个光源。
透镜模块200可以收集从目标对象1反射的光，并且可以允许所收集的光聚焦到像素阵列300的像素(PX)上。透镜模块200可以包括具有由玻璃或塑料形成的表面的聚焦透镜，或者具有由玻璃或塑料形成的表面的其它圆柱状光学元件。透镜模块200可以包括具有凸结构的聚焦透镜。
像素阵列300可以包括以二维(2D)结构连续布置的单位像素(PX)，其中单位像素在列方向和垂直于列方向的行方向上布置。单位像素(PX)可以形成在半导体基板中，并且每个单位像素(PX)可以将通过透镜模块200接收的光转换成与接收的光相对应的电信号，使得每个单位像素可以输出像素信号。在这种情况下，像素信号可以是用于指示到目标对象1的距离的信号，而不是指示用于指示目标对象1的颜色的信号。像素阵列300可以包括通过将半导体基板蚀刻至预定深度而形成的基板透镜。每个单位像素(PX)可以是电流辅助光子解调器(CAPD)像素，该CAPD像素用于利用电场的电位电平之间的差来检测由入射光在半导体基板中产生的电子(信号载流子)。
控制电路400可以通过控制光源100来向目标对象1发射光，可以通过驱动像素阵列300的单位像素(PX)来处理与从目标对象1反射的光相对应的每个像素信号，并且可以测量到目标对象1的表面的距离。
控制电路400可以包括行解码器410、光源驱动器420、定时控制器(T/C)430、光栅(photogate)控制器440和逻辑电路450。
行解码器410可以响应于从定时控制器430产生的定时信号来驱动像素阵列300的单位像素(PX)。例如，行解码器410可以产生能够选择多条行线中的至少一条的控制信号。控制信号可以包括用于控制选择晶体管的选择信号和用于控制传输栅(transfer gate)的传输(Tx)信号。
光源驱动器420可以响应于来自定时控制器430的控制信号而产生能够驱动光源100的时钟信号MLS。光源驱动器420可以向光栅控制器440提供时钟信号MLS或关于时钟信号MLS的信息。
定时控制器430可以产生定时信号以控制行解码器410、光源驱动器420、光栅控制器440和逻辑电路450。
光栅控制器440可以响应于定时控制器430的控制信号而产生光栅控制信号，并且可以向像素阵列300提供光栅控制信号。尽管为了便于描述，图1仅例示了光栅控制器440，但是控制电路400可以包括光电二极管控制器，该光电二极管控制器响应于定时控制器430的控制信号而产生多个光电二极管控制信号，然后向像素阵列300传输光电二极管控制信号。
逻辑电路450可以在定时控制器430的控制下处理从像素阵列300接收的像素信号，并且因此可以计算到目标对象1的距离。逻辑电路450可以包括用于对从像素阵列300产生的像素信号执行相关双采样(CDS)的相关双采样器(CDS)电路。另外，逻辑电路450可以包括用于将CDS电路的输出信号转换成数字信号的模数转换器(ADC)。
图2例示了基于所公开的技术的一些实现的、形成于图1所示的像素阵列中的任何一个单位像素区域中的基板透镜的一个示例。图3是例示基于所公开的技术的一些实现的、沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素结构的一个示例的外观的截面图。
参照图2和图3，每个单位像素(PX)可以包括基板层310和线层320。线层320可以对应于互连层。
基板层310可以包括形成于基板312中的基板透镜314a和也形成于基板312中的光电转换元件316。入射到光电转换元件316的光首先穿过基板透镜314a，然后到达光电转换元件316。
基板312可以包括半导体基板，该半导体基板包括第一表面和面对第一表面并且与第一表面相对的第二表面。半导体基板可以处于单晶状态，并且可以包括含硅材料。例如，基板312可以包括含单晶硅的材料。
基板透镜314a可以形成在基板312的第一表面或第一表面周围，使得基板透镜314a设置为相比于基板312的第二表面更靠近第一表面，并且线层320可以形成在基板312的第二表面上方，使得线层320设置为相比于基板312的第一表面更靠近第二表面。在一些实现中，单位像素(PX)可以构造为电流辅助光子解调器(CAPD)像素，该CAPD像素具有联接至线层320的金属线324并形成在基板312的第二表面上的控制区域和检测区域。在这种CAPD像素设计中，控制区域可以基于通过一条或更多条金属线324接收到的电压而在基板312中产生多个载流子电流。当由入射到基板312上的光产生的电子通过多个载流子电流移动时，检测区域可以捕获移动的电子。控制区域可以包括P型杂质区域，并且检测区域可以包括N型杂质区域。
基板透镜314a可以允许或帮助入射光更容易地会聚在基板312的光电转换元件316上。在这种情况下，入射光可以是比可见光具有更长的波长的红外光(IR)。另外，如下文进一步解释的，基板透镜314a可以被构造为允许入射光在其中被全反射，使得能够增加光行进路径的长度，因此能够将长波长的光很好地会聚到光电转换元件316中。
基板透镜314a可以包括通过去除基板材料并由间隙填充材料填充而位于基板透镜314a的中心或中心附近的第一沟槽透镜314a1、以及在第一沟槽透镜314a1外侧的多个第二沟槽透镜314a2。如图2和图3所示，第一沟槽透镜314a2和第二沟槽透镜314a2被基板材料的壁分开并围绕。
第一沟槽透镜314a1可以位于基板312的第一表面的中心部或中心部附近，并且可以通过从第一表面蚀刻基板312至预定深度而形成，并且可以包括间隙填充结构，在该间隙填充结构中折射率与基板312的折射率不同的材料(例如，氧化物膜)被形成或设置在沟槽中。在实现中，间隙填充材料被选择为使得以上间隙填充材料与基板312的基板材料之间的折射率存在大的差异或实质性差异。例如，第一沟槽透镜314a1中的间隙填充材料可以包括折射率比基板312高“1”或更大的材料。
第一沟槽透镜314a1可以形成为具有比第二沟槽透镜314a2的宽度W2大的宽度W1(或更大的区域)。第一沟槽透镜314a1的平面图可以具有多边形形状，例如矩形形状、六边形形状、八边形形状等。
第二沟槽透镜314a2可以形成为在基板312的第一表面处围绕第一沟槽透镜314a1，并且可以包括特定结构，在该特定结构中折射率与基板312的折射率不同的材料(例如，氧化物膜)被形成以填充或间隙填充通过将基板312的第一表面蚀刻至预定深度而形成的沟槽。在这种情况下，间隙填充材料可以是以与第一沟槽透镜314a1相同的方式、折射率与基板312极大不同或实质不同的材料。例如，每个第二沟槽透镜314a2中使用的间隙填充材料可以与在第一沟槽透镜314a1中使用的间隙填充材料相同。
每个第二沟槽透镜314a2可以形成为围绕第一沟槽透镜314a1的条带形状，如图2所示。在这种情况下，可以根据第一沟槽透镜314a1的形状来改变第二沟槽透镜314a12的条带形状。例如，如果第一沟槽透镜314a1的平面图形成为如图2所示的正方形，则每个第二沟槽透镜314a2可以形成为正方形条带形状。在另一示例中，如果第一沟槽透镜314a1的水平截面图形成为如图4所示的六边形形状，则每个第二沟槽透镜314a2可以形成为六边形条带形状。
每个第二沟槽透镜314a2可以形成为具有小的宽度W2，使得第二沟槽透镜314a2可以引起施加至每个第二沟槽透镜314a2的入射光的全内反射。例如，可以调整每个沟槽透镜314a2的宽度W2，使得施加至第二沟槽透镜314a2的入射光从每个第二沟槽透镜314a2的两侧的边界表面连续地反射并且在向下方向行进。如上所述，第二沟槽透镜314a2可以引起入射光的全内反射以增加光行进路径的长度。结果，即使当具有长波长的光入射到像素阵列上时，相应的光也能够容易地会聚在光电转换元件316上。另外，由于每个第二沟槽透镜314a2的宽度和深度被调整，已经穿过第二沟槽透镜314a2的光的折射角增大，使得结果的光能够更容易地会聚在光电转换元件316上。此外，由于第二沟槽透镜314a2之间的距离(或间隔)被调整，因此，还能够引起施加至第二沟槽透镜314a2之间的基板区域的入射光的全内反射。
第二沟槽透镜314a2可以彼此间隔开预定距离。另选地，可以根据从每个第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离来改变第二沟槽透镜314a2之间的距离。例如，第二沟槽透镜314a2之间的距离可以与从每个第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离成比例地增加。相反，第二沟槽透镜314a2之间的距离可以与从每个第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离的增加而成比例地减小。
第一沟槽透镜314a1和每个第二沟槽透镜314a2可以具有相同的深度。另选地，每个第二沟槽透镜314a2可以与第一沟槽透镜314a1深度不同。另选地，从第二沟槽透镜314a2当中选择的一些沟槽透镜中的每个可以与第一沟槽透镜314a1具有相同的深度，并且除了被选沟槽透镜之外的其余沟槽透镜中的每个可以与第一沟槽透镜314a1深度不同。例如，第二沟槽透镜314a2当中位于最靠近第一沟槽透镜314a1的唯一一个沟槽透镜可以与第一沟槽透镜314a1具有相同的深度，并且除该唯一一个沟槽透镜以外的其余沟槽透镜中的每个可以与第一沟槽透镜314a1深度不同。
根据从每个第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离，第二沟槽透镜314a2可以具有不同的深度。例如，随着从每个第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离逐渐增大，第二沟槽透镜314a2的深度可以逐渐增大。另选地，随着从每个第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a的距离逐渐增加，第二沟槽透镜314a2的深度可以逐渐减小。
第一沟槽透镜314a1可以具有与任何第二沟槽透镜314a2的宽度不同的宽度。例如，第一沟槽透镜314a1可以形成为比每个第二沟槽透镜314a2具有更大的宽度。第二沟槽透镜314a2可以具有彼此相同的宽度。另选地，第二沟槽透镜314a2可以具有彼此不同的宽度。例如，每个第二沟槽透镜314a2可以比第一沟槽透镜314a1宽度小，并且第二沟槽透镜314a2可以具有彼此相同的宽度。另选地，每个第二沟槽透镜314a2可以比第一沟槽透镜314a1宽度小，并且每个第二沟槽透镜314a2的宽度可以与从第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离的增加而成比例地逐渐增加。相反，每个第二沟槽透镜314a2可以比第一沟槽透镜314a1宽度小，并且每个第二沟槽透镜314a2的宽度可以与从第二沟槽透镜314a2到第一沟槽透镜314a1的距离的增加而成比例地逐渐减小。第一沟槽透镜314a1的区域可以比每个单位像素(PX)的区域在尺寸上大40％或更小。
光电转换元件316可以形成在基板透镜314a的下方，并且可以通过转换通过基板透镜314a接收的入射光来产生光电荷。光电转换元件316可以包括其中不同类型的杂质区域垂直层叠的特定结构。例如，光电转换元件316可以包括通过垂直层叠N型杂质区域和P型杂质区域而形成的光电二极管(PD)。光电转换元件316可以响应于通过基板透镜314a接收的入射光而产生电子-空穴对。
线层320可以形成在基板312的第二表面上方。线层320可以包括层间绝缘层322，并且可以进一步包括作为多个层而层叠在层间绝缘层322中的金属线324。每个层间绝缘层322可以包括氧化物膜或氮化物膜中的至少一种。每条金属线324可以包括铝(Al)、铜(Cu)或钨(W)中的至少一种。金属线324可以包括被配置为传输在光电转换元件316中产生的电信号(例如，像素信号)和产生这样的像素信号所需的多个信号(电压)的多条线。金属线324可以联接至形成于基板312的第二表面上方的控制区域和检测区域。
可以在基板透镜314a上方形成用于允许从目标对象1反射的光会聚在基板透镜314a上的透镜层330。透镜层330可以包括抗反射膜332和微透镜334。
图5是例示基于所公开的技术的一些实现的单位像素区域的一个示例的截面图，在该单位像素区域中光通过图3所示的基板透镜会聚在光电转换元件上。图6A是例示基于所公开的技术的一些实现的、在图5所示的第一沟槽透镜314a1中行进的光的图的示例。图6B是例示基于所公开的技术的一些实现的、在第二沟槽透镜314a2中以及在第二沟槽透镜314a2之间行进的光的图的示例。
参照图5和图6A，第一沟槽透镜314a1可以形成为具有比第二沟槽透镜314a2的宽度更大的宽度，并且可以位于单位像素(PX)的中心部或中心部周围。由于第一沟槽透镜314a1的中央位置，入射在第一沟槽透镜314a1上的光(L1)相对于垂直于第一沟槽透镜314a1的底表面的法线可以具有相对小的入射角，因此，入射在第一沟槽透镜314a1上的光(L1)的大部分可以通过第一沟槽透镜314a1的底表面直接行进至光电转换元件316，而不会遇到位于第一沟槽透镜314a1的侧表面的边界。另外，由于入射在第一沟槽透镜314a1上的每束光(L1)具有小的入射角，所以每束光(L1)也可以具有小的折射角。
结果，已经穿过第一沟槽透镜314a1的光(L1)的大部分可以会聚在光电转换元件316上而不会从光电转换元件316逸出。
施加到单位像素(PX)的光通过由透镜层330提供的光会聚(或光聚焦)效果而入射到第一沟槽透镜314a1上。第一沟槽透镜314a1具有相对大的宽度，这使得总共入射在第一沟槽透镜314a1上的光增加更多，因此通过第一沟槽透镜314a1收集光的效率相当高。
通常，光倾向于更容易从密集形成有图案的位置/结构反射。在一些实现中，沟槽透镜314a1和314a2形成为具有不同的图案。例如，第二沟槽透镜314a2密集地形成为具有一定宽度的相同图案，并且第一沟槽透镜314a1形成为具有比第二沟槽透镜314a2的宽度大的宽度。因此，与形成有第一沟槽透镜314a1的区域相比，光更容易从形成有第二沟槽透镜314a2的区域反射。因此，能够更容易地将要施加至第一沟槽透镜314a1的入射光引入到沟槽中。
参照图5和图6B，每个第二沟槽透镜314a2可以形成为具有相对小的宽度。每个第二沟槽透镜314a2可以位于第一沟槽透镜314a1的外侧，第一沟槽透镜314a1位于基板312的中心部周围。第二沟槽透镜314a2可以设置在第一沟槽透镜314a1的外部。因此，与入射在第一沟槽透镜314a1上的光L1的入射角相比，入射在第二沟槽透镜314a2上的多束光(L2)的入射角可以相对增加。如图6B所示，入射在第二沟槽透镜314a2上的光(L2)的一些部分或大部分可以通过并遇到位于第二沟槽透镜314a2的侧表面处的边界表面。
入射到第二沟槽透镜314a2上的光(L2)中的一些可以从第二沟槽透镜314a2的两侧的边界表面通过全内反射连续地反射，并且能够被引导至每个第二沟槽透镜314a2的底表面。在这种情况下，如果增加入射到每个第二沟槽透镜314a2的底表面上的光的入射角，则底边界处的折射角也增大，使得已经穿过第二沟槽透镜314a2的多束光(L2)可以被引导至光电转换元件316的中心部。
在各种实现中，可以调整每个第二沟槽透镜314a2的宽度、要用于第二沟槽透镜314a2中的间隙填充材料、以及第二沟槽透镜314a2的深度，以增加通过第二沟槽透镜314a2收集光的效率。当已经穿过第二沟槽透镜314a2的大部分光(L2)以相对大的角度折射(或弯曲)并且将结果的折射光(L2)引导至光电转换元件316的中心部时，能够提高光收集效率。
第二沟槽透镜314a2之间的间隙(或空间)可以用与基板312的材料相同的材料填充，使得光可以不以与第二沟槽透镜314a2中相同的方式在底表面上折射。然而，入射到第二沟槽透镜314a2之间的区域(或空间)上的每束光(L3)可以从位于每束光(L3)两侧的第二沟槽透镜314a2之间的边界表面反射。因此，可以增加光(L3)的行进路径。
设置在第二沟槽透镜314a2之间的区域能够允许入射光(L3)通过全内反射会聚在光电转换元件316上。在这种情况下，从设置在第二沟槽透镜314a2之间的区域获得的、以将光会聚在光电转换元件316的中心部上的光会聚效果可能低于从第二沟槽透镜314a2获得的光会聚效果。然而，设置在第二沟槽透镜314a2之间的区域能够增加入射光(L3)的行进路径，从而各自具有长波长的光能够容易地收集在光电转换元件316中。
图7是例示沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素结构的另一示例的截面图。图8是例示沿着图2所示的线A-A′截取的单位像素结构的另一示例的截面图，其中单位像素结构具有与如图7所示的截面图不同的截面图。
参照图7和图8，可以基于第一沟槽透镜314a1与每个第二沟槽透镜314a2之间的距离来改变沟槽透镜314a1和314a2中的任何两个相邻沟槽透镜之间的空间的宽度。
例如，从图7可以看出，随着距第一沟槽透镜314a1的距离逐渐增大，沟槽透镜314a2之间的空间的宽度可以逐渐减小。另选地，如从图8可以看出，随着距第一沟槽透镜314a1的距离逐渐增大，第二沟槽透镜314a2之间的空间的宽度可以逐渐增大。
在图7所示的像素结构中位于相对更靠近第一沟槽透镜314a1的区域中，由第二沟槽透镜314a2引起的光会聚效果可以高于从第二沟槽透镜314a2之间的空间获得的光会聚效果。例如，如果第二沟槽透镜314a2之间的空间形成为具有相对大的宽度，则与第二沟槽透镜314a2之间的空间形成为具有相对小的宽度的情况相比，可以产生光(L3)的相对少的反射。因此，由第二沟槽透镜314a2引起的光会聚效果可以主要在更靠近第一沟槽透镜314a1的区域中产生。
在距第一沟槽透镜314a1相对远的另一区域中，朝向光电转换元件316的光行进路径增大。例如，通过由第二沟槽透镜314a2引起的会聚效果，光会聚在光电转换元件316上。另外，全内反射也可以出现在第二沟槽透镜314a2之间的区域中，使得光能够会聚在光电转换元件316上。例如，如果第二沟槽透镜314a2之间的空间形成为具有相对小的宽度，则与第二沟槽透镜314a2之间的空间形成为具有相对大的宽度的情况相比，在第二沟槽透镜314a2之间的基板区域中可以产生光(L3)的相对多的反射。在第二沟槽透镜314a2之间的空间中引起光L3的反射越多，越多的光行进路径能够会聚在光电转换元件316上。因此，在如图7所示的实现中，在位于距第一沟槽透镜314a1更远并且第二沟槽透镜314a2之间以相对小的宽度布置的区域中，能够进一步加强使已经穿过第二沟槽透镜314a2之间的基板区域并且会聚在光电转换元件316上的光行进路径的长度增加的效果。
在如图8所示的实现中，与位于距第一沟槽透镜314a1更远的第二沟槽透镜314a2之间的空间的宽度相比，在位于第一沟槽透镜314a1附近或相对更靠近第一沟槽透镜314a1的区域中，第二沟槽透镜314a2之间的空间形成为具有相对小的宽度。因此，在图8的实现中，在位于第一沟槽透镜314a1附近或相对更靠近第一沟槽透镜314a1的区域中能够获得由第二沟槽透镜314a2引起的光会聚效果和由于光行进路径增加而引起的附加效果，该光行进路径的增加是由插置于第二沟槽透镜314a2之间的区域中产生的全内反射引起的。
如以上已经讨论的，在位于距第一沟槽透镜314a1更远的区域中，由第二沟槽透镜314a2引起的光会聚效果可以高于由穿过插置于第二沟槽透镜314a2之间的空间的光引起的光会聚效果。
图9是例示基于所公开的技术的一些实现的、形成于图1所示的像素阵列中的任何一个单位像素区域中的基板透镜的另一示例的截面图。图10是例示基于所公开的技术的一些实现的、沿着图9所示的线B-B′截取的单位像素结构的一个示例的截面图。
参照图9和图10，基板透镜314b可以包括多个第一沟槽透镜314b1和多个第二沟槽透镜314a2。
第一沟槽透镜314b1可以在基板312的第一表面的中心部或中心部附近彼此间隔开预定距离，并且也可以相对于基板的第一表面的中心部彼此对称地布置。与图2至图8中所示的在单位像素(PX)的中心部或中心部周围形成具有相对大宽度的单个沟槽透镜314a1的实现不同，在本实现中，可以在单位像素(PX)的中心部或中心部周围形成各自具有相对大宽度的多个第一沟槽透镜314b1。尽管图9例示了形成有两个第一沟槽透镜314b1的示例作为所公开的技术的示例，但是第一沟槽透镜314b1的数量不限于两个，并且可以是除两个之外的任何其它数量。
通过调整第一沟槽透镜314b1之间的距离，能够发生入射在第一沟槽透镜314b1之间的区域上的光的全内反射。因此，可以通过利用由穿过第一沟槽透镜314b1的光和穿过第一沟槽透镜314b1之间的区域的光的全内反射二者所引起的光会聚效果，来使光会聚在光电转换元件316上。
尽管图9已经公开了其中第二沟槽透镜314a2以相同间隔彼此间隔开的示例性情况，但是所公开的技术不限于此。因此，第二沟槽透镜314a2之间的距离也可以如图7和图8所示根据第一沟槽透镜314b1和每个第二沟槽透镜314a2之间的距离而改变。
形成为间隙填充沟槽透镜314b1和314a2的每个间隙填充材料膜的顶表面可以比基板312的顶表面更突出，或者每个间隙填充材料膜的顶表面可以设置在基板312的顶表面下方。
图11是例示基于所公开的技术的一些实现的、沿着图9所示的线B-B′截取的单位像素结构的另一示例的截面图。
参照图11，基板透镜314c可以包括多个第一沟槽透镜314b1和多个第二沟槽透镜314c1。
与图10所示的像素结构不同，第二沟槽透镜314c1可以形成为根据距第一沟槽透镜314b1的距离而具有不同的宽度和深度。例如，第二沟槽透镜314c1的宽度和深度可以与到第一沟槽透镜314b1的距离的增加而成比例地逐渐减小。另选地，随着到第一沟槽透镜314b1的距离逐渐增加，第二沟槽透镜314c1的宽度和深度可以逐渐增加。
在一些实现中，不仅可以调整沟槽透镜314c1和314b1的宽度，而且可以调整被配置为间隙填充沟槽透镜314c1和314b1的间隙填充材料的折射率，使得能够进一步加强由穿过基板透镜314c的多束光所引起的光会聚效果。另选地，根据需要，透镜层330可以不形成在基板透镜314c之上。
图12是例示基于所公开的技术的实现的单位像素的另一示例的截面图。
参照图12，基板透镜314d可以包括多个沟槽透镜。在这种情况下，沟槽透镜可以形成为其中沟槽透镜的宽度和深度随着从每个单位像素的中心部到单位像素的边缘区域的距离逐渐增加而逐渐增加的形状。在一些实现中，沟槽透镜可以以相同距离的间隔彼此间隔开。
在基板透镜314d中，与所公开的技术的上述实现不同，宽度大的沟槽透镜可以不形成在基板透镜314d的中心部。
在上述结构中，可以调整沟槽透镜的宽度以及在沟槽透镜中使用的间隙填充材料的折射率，使得能够增加由穿过基板透镜314d的多束光引起的光会聚效果。在一些实现中，透镜层330可以不形成在基板透镜314d上方。
从以上描述显而易见的是，根据所公开的技术的实施方式的图像感测装置能够允许入射光会聚在光电转换元件上，从而提高了光的利用效率。
仅公开了一些示例和实现。基于所公开的内容能够对所描述的示例和实现以及其它实现进行变型、修改和增强。
相关申请的交叉引用
本专利文档要求于2019年11月15日提交的韩国专利申请No.10-2019-0146534的优先权和权益，其全部内容作为本专利文档的公开内容的一部分通过引用合并于此。
Claims (20)
1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
半导体基板，所述半导体基板包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，并且所述半导体基板被配置为包括光电转换元件，所述光电转换元件响应于经由所述第一表面入射到所述光电转换元件的光而产生光电荷，其中，所述半导体基板被构造为包括基板透镜，所述基板透镜是通过将所述第一表面蚀刻至预定深度而形成的并且位于所述第一表面与所述光电转换元件之间以将入射光经由所述第一表面引导至所述光电转换元件；以及
透镜层，所述透镜层设置在所述半导体基板上方，以将通过所述半导体基板的所述第一表面的光引导至所述基板透镜中，所述基板透镜进一步将所述入射光引导至所述光电转换元件中。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述基板透镜包括：
多个沟槽透镜，在所述多个沟槽透镜中设置有折射率不同于所述半导体基板的折射率的材料膜。
3.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，所述多个沟槽透镜包括：
第一沟槽透镜，所述第一沟槽透镜设置在所述第一表面的中心部；以及
多个第二沟槽透镜，所述多个第二沟槽透镜形成为围绕所述第一沟槽透镜。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中：
所述多个第二沟槽透镜具有相同的宽度和相同的深度，并且
所述第一沟槽透镜的宽度大于所述多个第二沟槽透镜中的每个的宽度。
5.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述多个第二沟槽透镜基于到所述第一沟槽透镜的距离而具有不同的宽度或不同的深度。
6.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述多个第二沟槽透镜基于到所述第一沟槽透镜的距离而以在所述多个第二沟槽透镜中的任何两个之间的不同间隔布置。
7.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述多个第二沟槽透镜以在所述多个第二沟槽透镜中的任何两个之间的相同间隔布置。
8.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述多个沟槽透镜还包括：
附加的第一沟槽透镜，所述附加的第一沟槽透镜的宽度大于所述多个第二沟槽透镜中的每个的宽度。
9.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，所述多个第二沟槽透镜中的每个具有条带形状。
10.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述透镜层被配置为允许所述入射光会聚在所述基板透镜上。
11.根据权利要求1所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
线层，所述线层设置在所述半导体基板的所述第二表面上方并且包括金属线，所述金属线被配置为传输从所述光电转换元件产生的电信号。
12.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
光电转换元件，所述光电转换元件设置在半导体基板中，并且所述光电转换元件被配置为对入射到所述光电转换元件上的光执行光电转换；
基板透镜，所述基板透镜在所述半导体基板中设置在所述光电转换元件上方，并且被配置为允许入射光会聚在所述光电转换元件上；以及
透镜层，所述透镜层设置在所述半导体基板上方并且被配置为将所述入射光引导至所述基板透镜，所述基板透镜进一步将所述入射光引导至所述光电转换元件。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，所述基板透镜包括：
多个沟槽，所述多个沟槽中设置有材料膜。
14.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，每个所述材料膜包括折射率与所述半导体基板的折射率不同的绝缘层。
15.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述多个沟槽包括：
第一沟槽，所述第一沟槽位于所述半导体基板的第一表面的中心部；以及
第二沟槽，所述第二沟槽设置为围绕所述第一沟槽。
16.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述第二沟槽根据到所述第一沟槽的距离而具有不同的宽度或不同的深度。
17.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述第二沟槽根据到所述第一沟槽的距离而以任意两个所述第二沟槽之间的不同间隔布置。
18.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述第二沟槽以相同间隔布置。
19.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，所述多个沟槽还包括附加的第一沟槽，所述附加的第一沟槽的宽度大于每个所述第二沟槽的宽度。
20.根据权利要求13所述的图像感测装置，其中，所述入射光通过所述多个沟槽并且通过所述多个沟槽中的任何两个沟槽之间的空间被传送至所述光电转换元件。
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