CN114258590A - 图像传感器像素 - Google Patents

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Ai Seleju
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Abstract

本公开涉及一种像素(50、52、54、56)，该像素包括CMOS支撑件(8)以及至少两个有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)，其中同一透镜(58)与所述有机光电探测器竖直地成一直线。

Description

图像传感器像素
相关申请的交叉引用
本专利申请要求法国专利申请FR19/08252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。
背景技术
图像传感器当前被使用在许多领域，特别是在电子设备中。图像传感器特别存在于人机界面应用或图像捕获应用中。这种图像传感器的使用领域特别是例如智能电话、机动车、无人机、机器人技术、以及虚拟或增强现实系统。
在某些应用中，同一电子设备可以具有多个不同类型的图像传感器。因此，这种设备可以包括例如第一彩色图像传感器、第二红外图像传感器、第三图像传感器，使得能够估计场景或对象的不同点相对于设备的距离等等。
在同一设备中搭载的图像传感器的这种多样性，本质上与这种设备的当前小型化的约束几乎不兼容。
发明内容
需要改进现有的图像传感器。
实施例克服了已知图像传感器的全部或部分缺点。
实施例提供了一种像素，包括：
CMOS支撑件；以及
至少两个有机光电探测器，
其中同一透镜与所述有机光电探测器竖直地成一直线。
实施例提供了一种图像传感器，其包括如上所描述的多个像素。
实施例提供了一种制造这种像素或这种图像传感器的方法，包括以下步骤：
提供CMOS支撑件；
每个像素形成至少两个有机光电探测器；
形成与该像素或每个像素的有机光电探测器竖直地成一直线的同一透镜。
根据实施例，所述有机光电探测器是共面的。
根据实施例，所述有机光电探测器被电介质彼此分离。
根据实施例，每个有机光电探测器包括在CMOS支撑件的表面处形成的第一电极，其与其它有机光电探测器的第一电极分离。
根据实施例，每个第一电极被耦合到读出电路，优选地被连接到读出电路，每个读出电路优选地包括在CMOS支撑件中形成的三个晶体管。
根据实施例，所述有机光电探测器能够通过飞行时间法估计距离。
根据实施例，如上所描述的像素或传感器能够：
在部分红外光谱中操作；
在结构光中操作；
在高动态范围成像HDR中操作；和/或
在背景抑制下操作。
根据实施例，每个像素还包括在透镜下的彩色滤光片，该彩色滤光片让可见光谱和红外光谱的频率范围内的电磁波通过。
根据实施例，诸如所描述的图像传感器能够捕获彩色图像。
根据实施例，每个像素恰好包括：
第一有机光电探测器；
第二有机光电探测器；以及
两个第三有机光电探测器。
根据实施例，对于每个像素，第一有机光电探测器、第二有机光电探测器和第三有机光电探测器具有正方形形状并且共同地内接在正方形内。
根据实施例，对于每个像素：
第一有机光电探测器被连接到第二电极；
第二有机光电探测器被连接到第三电极；并且
第三有机光电探测器被连接到同一第四电极。
根据实施例：
第一有机光电探测器和第二有机光电探测器包括由同一第一材料制成的第一有源层；并且
第三有机光电层包括由第二材料制成的第二有源层。
根据实施例，第一材料与第二材料相同，所述材料能够吸收可见光谱和部分红外光谱的电磁波。
根据实施例，第一材料与第二材料不同，所述第一材料能够吸收部分红外光谱的电磁波，并且所述第二材料能够吸收可见光谱的电磁波。
实施例提供了一种传感器，其中：
第二电极对传感器的像素的所有第一有机光电探测器是公共的；
第三电极对传感器的像素的所有第二有机光电探测器是公共的；并且
第四电极对传感器的像素的所有第三有机光电探测器是公共的。
附图说明
本发明的前述以及其它特征和优点将在下文结合附图对具体实施例及实施模式的非限制性描述中详细讨论，在附图中：
图1是图像传感器的实施例的局部简化分解透视图；
图2是图1的图像传感器的局部简化俯视图；
图3是图1和图2的图像传感器的像素的读出电路的实施例的电气图；
图4是具有图3的读出电路的图像传感器的操作示例的信号时序图；
图5是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的步骤的局部简化截面图；
图6是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的另一步骤的局部简化截面图；
图7是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图8是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图9是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图10是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图11是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图12是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图13是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图14是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图15是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图16是形成图1和图2的图像传感器的方法的实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图17是沿着图1和图2的图像传感器的平面CC的局部简化截面图；
图18在视图(A)、(B)和(C)中示出了图1和图2的图像传感器的电极的实施例；
图19是形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的步骤的局部简化截面图；
图20是形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的另一步骤的局部简化截面图；
图21是形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图22是形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图23是形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的又一步骤的局部简化截面图；
图24是形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的又一步骤的局部简化截面图；并且
图25是图像传感器的另一实施例的局部简化截面图。
具体实施方式
在各种附图中，类似的特征已经由类似的附图标记指定。具体而言，不同实施例和实施模式所公共的结构和/或功能元件可以采用相同的附图标记指定，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清楚起见，仅示出了并且将详细说明对所描述的实施例和实施模式的理解有用的那些步骤和元件。具体而言，没有详细说明下文所描述的图像传感器的用途。
除非另有说明，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示在没有除了导体以外的任何中间元件的情况下的直接连接，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它们可以经由一个或多个其它元件耦合。
在本公开中，除非另有说明，否则认为术语“绝缘”和“传导”分别表示“电绝缘”和“导电”。
在以下描述中，当提及限定绝对位置的术语(诸如，术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)、或限定相对位置的术语(诸如，术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)、或限定方向的术语(诸如，术语“水平”、“竖直”等)时，除非另有说明，否则指的是附图的取向或正常使用位置中的图像传感器。
除非另有说明，否则表述“约”、“大约”、“基本上”和“近似”表示在10％以内，并且优选地在5％以内。
层对辐射的透射率对应于从该层中出来的辐射的强度与进入该层的辐射的强度的比率，入射辐射的射线垂直于该层。在以下描述中，当辐射通过层或膜的透射率小于10％时，该层或膜被称为对辐射不透明。在以下描述中，当辐射通过层或膜的透射率大于10％时，该层或膜被称为对辐射透明。
在以下描述中，“可见光”指定波长在400nm至700nm范围内的电磁辐射，“红外辐射”指定波长在700nm至1mm范围内的电磁辐射。在红外辐射中，可以特别区分波长在700nm至1.7μm范围内的近红外辐射。
图像的像素对应于由图像传感器捕获的图像的单位元素。当光电设备是彩色图像传感器时，对于要获取的彩色图像的每个像素，它通常包括至少三个分量。这三个分量各自获取基本上以单色形式的光辐射，即在低于130nm的波长范围内(例如，红色、绿色和蓝色)。每个分量可以特别包括至少一个光电探测器。
图1是图像传感器5的实施例的局部简化分解透视图。
图像传感器5包括共面像素的阵列。为了简化起见，在图1中仅示出了图像传感器5的四个像素50、52、54和56，应当理解，实际上，图像传感器5可以包括更多个像素。图像传感器5例如包括几百万、甚至几千万个像素。
根据该实施例，像素50、52、54和56位于CMOS支撑件8的表面处，例如是以CMOS(互补金属氧化物半导体)技术在其顶部和内部上已经形成了集成电路(未示出)的一块硅晶片。在该示例中，这些集成电路形成与图像传感器5的像素50、52、54和56相关联的读出电路的阵列。读出电路意味着与每个像素相关联的读出、寻址和控制晶体管的组件。
在图像传感器5中，每个像素包括：采用后缀“A”指定的第一光电探测器、采用后缀“B”指定的第二光电探测器、以及采用后缀“C”和“D”指定的两个第三光电探测器。更具体地，在图1的示例中：
像素50包括第一光电探测器50A、第二光电探测器50B、以及两个第三光电探测器50C和50D；
像素52包括第一光电探测器52A、第二光电探测器52B、以及两个第三光电探测器52C和52D；
像素54包括第一光电探测器54A、第二光电探测器54B、以及两个第三光电探测器54C和54D；并且
像素56包括第一光电探测器56A、第二光电探测器56B、以及两个第三光电探测器56C和56D。
光电探测器50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C和56D可以对应于有机光电二极管(OPD)或有机光敏电阻。在本公开的其余部分中，认为图像传感器5的像素的光电探测器对应于有机光电二极管。
在图1的简化表示中，每个光电探测器包括：包含在或“夹在”在两个电极之间的有源层(active layer)。更具体地，在图1的示例中，仅有机光电探测器50B、50C、54B、54C、54D、56B和56C的侧面是可见的：
第二光电探测器50B由在第一电极502B与第二电极504B之间的有源层500B形成；
第三光电探测器50C由在第一电极502C与第二电极504C之间的有源层500C形成；
第二光电探测器54B由在第一电极542B与第二电极544B之间的有源层540B形成；
第三光电探测器54C由在第一电极542C与第二电极544C之间的有源层540C形成；
第三光电探测器54D由在第一电极542D与第二电极544D之间的有源层540D形成；
第二光电探测器56B由在第一电极562A与第二电极564B之间的有源层560B形成；并且
第三光电探测器56C由在第一电极562C与第二电极564D之间的有源层560D形成。
类似地，在图像传感器5中：
第一光电探测器50A由在第一电极502A(图1中未示出)与第二电极504A(图1中未示出)之间的有源层500A(图1中未示出)形成；
第三光电探测器50D由在第一电极502D(图1中未示出)与第二电极504D(图1中未示出)之间的有源层500D(图1中未示出)形成；
第一光电探测器52A由在第一电极522A(图1中未示出)与第二电极524A(图1中未示出)之间的有源层520A(图1中未示出)形成；
第二光电探测器52B由在第一电极522B(图1中未示出)与第二电极524B(图1中未示出)之间的有源层520B(图1中未示出)形成；
第三光电探测器52C由在第一电极522C(图1中未示出)与第二电极524C(图1中未示出)之间的有源层520C(图1中未示出)形成；
第三光电探测器52D由在第一电极522D(图1中未示出)与第二电极524D(图1中未示出)之间的有源层520D(图1中未示出)形成；
第一光电探测器54A由在第一电极542A(图1中未示出)与第二电极544A(图1中未示出)之间的有源层540A(图1中未示出)形成；
第一光电探测器56A由在第一电极562A(图1中未示出)与第二电极564A(图1中未示出)之间的有源层560A(图1中未示出)形成；
第三光电探测器56C由在第一电极562C(图1中未示出)与第二电极564C(图1中未示出)之间的有源层560C(图1中未示出)形成。
在本公开的其余部分中，第一电极也将采用表述“下电极(lower electrodes)”指定，而第二电极也将采用表述“上电极(upper electrodes)”指定。
根据实施例，每个有机光电探测器的上电极形成阳极电极，而每个有机光电探测器的下电极形成阴极电极。
图像传感器5的每个像素的每个光电探测器的下电极被单独地耦合(优选地被连接)到CMOS支撑件8的读出电路(未示出)。图像传感器5的每个光电探测器相应地由其下电极单独地寻址。因此，在图像传感器5中，每个光电探测器具有与所有其它光电探测器的下电极分离的下电极。换言之，像素的每个光电探测器都具有如下这样的下电极：
与相同像素的其它光电探测器分离；并且
与其它像素的其它光电探测器分离。
仍然在图线传感器5中：
所有第一光电探测器具有公共的第一上电极；
所有第二光电探测器具有公共的第二上电极，其与第一光电探测器公共的第一上电极分离；并且
所有第三光电探测器具有公共的第三上电极，其与所有第一光电探测器公共的第一上电极以及与所有第二光电探测器公共的第二电极分离。
在图像传感器5中，每个像素包括：透镜58，由于其尺寸也被称为微透镜58。因此，在图1的简化表示中，像素50、52、54和56各自都包括透镜58。每个透镜58从而完全覆盖图像传感器5的每个像素的第一、第二和第三光电探测器。更具体地，透镜58物理上覆盖像素的第一、第二和第三光电探测器的上电极。
图2是图1的图像传感器5的局部简化俯视图。
在该俯视图中，第一、第二和第三光电探测器已经由正方形表示，并且微透镜已经由圆形表示。更具体地，在图2中：
微透镜58覆盖了像素50的相应的光电探测器50A、50B、50C和50D的上电极504A、504B、504C和504D；
微透镜58覆盖了像素52的相应的光电探测器52A、52B、52C和52D的上电极524A、524B、524C和524D；
微透镜58覆盖了像素54的相应的光电探测器54A、54B、54C和54D的上电极544A、544B、544C和544D；并且
微透镜58覆盖了像素56的相应的光电探测器56A、56B、56C和56D的上电极564A、564B、564C和564D。
实际上，由于从以下附图的讨论中将出现的电极之间的间隔，可以认为透镜58完全覆盖了与其相关联的像素的相应电极。
在图像传感器5中，在图2的俯视图中，像素基本上是方形的，优选地是正方形的。图像传感器5的所有像素优选地具有相同的尺寸，以在制造色散内。
在图2的俯视图中，由图像传感器5的每个像素形成的正方形的边长在大约0.8μm至10μm的范围内，优选地在大约0.8μm至5μm的范围内，更优选地在0.8μm至3μm的范围内。
属于同一像素的第一、第二和第三光电探测器(例如，第一像素50的第一光电探测器50A、第二光电探测器50B和第三光电探测器50C、50D)是方形的。这些光电探测器具有基本相同的尺寸，并且共同内接在由它们所属的像素形成的正方形内。
由图像传感器5的每个像素的每个光电探测器形成的正方形的边长基本上等于由每个像素形成的正方形的边长的一半。然而，在每个像素的第一、第二和第三光电探测器之间形成空间，使得它们相应的下电极是分离的。
在图像传感器5中，在图2的俯视图中，每个微透镜58的直径基本上等于，优选地等于由其所属的像素形成的正方形的边长。在本实施例中，每个像素包括微透镜58。图像传感器5的每个微透镜58优选地相对于由其覆盖的光电探测器形成的正方形居中。
作为变体，每个微透镜58可以采用另一类型的微米范围的光学元件代替，特别是微米范围的菲涅耳(Fresnel)透镜、微米范围的折射率梯度透镜、或微米范围的衍射光栅。微透镜58是会聚透镜，每个透镜的焦距f在1μm至100μm的范围内，优选地在1μm至10μm的范围内。根据实施例，所有微透镜58基本上相同。
微透镜58可以由二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、正性抗蚀剂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、环烯烃聚合物(COP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)/硅树脂、或环氧树脂制成。微透镜58可以通过抗蚀剂块的流动来形成。微透镜58还可以通过在PET、PEN、COP、PDMS/硅树脂、或环氧树脂的层上模制来形成。
图3是图1和图2的图像传感器5的像素的读出电路的实施例的电气图。
为了简化起见，图3仅考虑与图像传感器5的单个像素(例如，图像传感器5的像素50)相关联的读出电路。在该示例中，每个光电探测器与读出电路相关联。更具体地，在图3中：
像素50的第一光电探测器50A与第一读出电路60A相关联；
像素50的第二光电探测器50B与第二读出电路60B相关联；
像素50的第三光电探测器50C与第三读出电路60C相关联；并且
像素50的第三光电探测器50D与第四读出电路60D相关联。
像素50的第一光电探测器50A的第一读出电路60A、像素50的第二光电探测器50B的第二读出电路60B、像素50的第三光电探测器50C的第三读出电路60C和第三光电探测器50D的第四读出电路60D共同形成像素50的读出电路60。
根据该实施例，每个读出电路60A、60B、60C、60D包括三个MOS晶体管。这种电路当前用其光电探测器由表述“3T传感器”指定。特别地，在图3的示例中：
与第一光电探测器50A相关联的读出电路60A包括在两个端子204和206A之间与MOS选择晶体管202串联的从动件装配(follower-assembled)的MOS晶体管200；
与第二光电探测器50B相关联的读出电路60B包括在两个端子204和206B之间与MOS选择晶体管202串联的从动件装配的MOS晶体管200；
与第二光电探测器50C相关联的读出电路60C包括在两个端子204和206C之间与MOS选择晶体管202串联的从动件装配的MOS晶体管200；并且
与第二光电探测器50D相关联的读出电路60D包括在两个端子204和206D之间与MOS选择晶体管202串联的从动件装配的MOS晶体管200。
在读出电路的晶体管是N沟道MOS晶体管的情况下，每个端子204耦合到高参考电位的源，记为Vpix。在读出电路的晶体管是P沟道MOS晶体管的情况下，每个端子204耦合到低参考电位的源，例如接地。
端子206A耦合到第一导电轨道208A。第一导电轨道208A可以耦合到同一列像素的所有第一光电探测器。第一导电轨道208A优选地耦合到图像传感器5的所有第一光电探测器。
类似地，端子206B耦合到第二导电轨道208B。第二导电轨道208B可以耦合到同一列像素的所有第二光电探测器。第二导电轨道208B优选地耦合到图像传感器5的所有第二光电探测器。第二导电轨道208B优选地与第一导电轨道208A分离。
类似地，端子206C耦合到第三导电轨道208C，并且端子206D耦合到第四导电轨道208D。
根据优选实施例，第三导电轨道208C和第四导电轨道208D连接在一起。导电轨道208C、208D可以耦合到同一列像素的所有第三光电探测器。导电轨道208C、208D优选地耦合到图像传感器5的所有第三光电探测器。第三导电轨道208C和第四导电轨道208D优选地与第一导电轨道208A并且与第二导电轨道208B分离。
在图3的示例中：
第一导电轨道208A耦合(优选地连接)到第一电流源209A；
第二导电轨道208B耦合(优选地连接)到第二电流源209B；
第三导电轨道208C耦合(优选地连接)到第三电流源209C；
第四导电轨道208D耦合(优选地连接)到第四电流源209D。
电流源209A、209B、209C和209D不形成图像传感器5的像素50的读出电路60的一部分。换言之，图像传感器5的电流源209A、209B、209C和209D在像素和读出电路的外部。根据第三导电轨道208C和第四导电轨道208D互连的优选实施例，轨道优选地耦合到单个电流源209C或209D。
在像素50的读出电路60的情况下，晶体管202的栅极旨在接收像素50的选择的信号，记为SEL_R1。假设图像传感器5的另一个像素的读出电路(例如，像素52的读出电路)的晶体管202的栅极旨在接收另一信号，记为SEL_R2。
在图3的示例中：
与像素50的第一光电探测器50A相关联的晶体管200的栅极耦合到节点FD_1A；
与像素50的第二光电探测器50B相关联的晶体管200的栅极耦合到节点FD_1B；
与像素50的第二光电探测器50C相关联的晶体管200的栅极耦合到节点FD_1C；并且
与像素50的第三光电探测器50D相关联的晶体管200的栅极耦合到节点FD_1D。
每个节点FD_1A、FD_1B、FD_1C、FD_1D通过复位MOS晶体管210耦合到施加复位电位Vrst的端子，其电位可以与电位Vpix相同。晶体管210的栅极旨在接收信号RST以用于控制光电探测器的复位，特别是使得能够将节点FD_1A、FD_1B、FD_1C或FD_1D基本上复位为电位Vrst。
在图3的示例中：
节点FD_1A连接到像素50的第一光电探测器50A的阴极电极502A；
节点FD_1B连接到像素50的第二光电探测器50B的阴极电极502B；
节点FD_1C连接到像素50的第三光电探测器50C的阴极电极502C；并且
节点FD_1D连接到像素50的第三光电探测器50D的阴极电极502D；
仍然在图3的示例中：
像素50的第一光电探测器50A的阳极电极504A耦合到参考电位Vtop_C1的源；
像素50的第二光电探测器50B的阳极电极504B耦合到参考电位Vtop_C2的源；
像素50的第三光电探测器50C的阳极电极504C耦合到参考电位Vtop_C3的源；
像素50的第三光电探测器50D的阳极电极504D耦合到参考电位Vtop_C4的源；
在图像传感器5中，电位Vtop_C1被施加于所有第一光电探测器公共的第一上电极。电位Vtop_C2被施加到所有第二光电探测器公共的第二上电极。电位Vtop_C3和电位Vtop_C4优选地相等并且被施加到所有第三光电探测器公共的第三上电极。
在本公开的其余部分中，任意使用以下符号：
VFD_1A，以用于节点FD_1A处存在的电压；
VFD_1B，以用于节点FD_1B处存在的电压；
VSEL_R1，以用于施加到像素50的晶体管202的栅极的电压，即施加到第一光电探测器50A的晶体管202的栅极、施加到第二光电探测器50B的晶体管202的栅极、以及施加到第二光电探测器50C、50D的晶体管202的栅极的电压；
VSEL_R2，以用于施加到像素52的晶体管202的栅极的电压。
在本公开的其余部分中，认为分别地电压VSEL_R1、VSEL_R2的施加由分别记为SEL_R1、SEL_R2二进制信号控制。
已知其它类型的传感器，例如所谓的“4T”传感器。有机光电探测器的使用有利地使得能够节省出晶体管而使用3T传感器。
图4是具有图3的读出电路的图像传感器5的操作示例的信号时序图。
图4的时序图更具体地对应于图像传感器5在“飞行时间(time-of-flight)(ToF)”模式下的操作示例。在该操作模式下，图像传感器5的像素用于估计它们与放置或定位于图像传感器5的对面的对象(物体、场景、面部等)分离之间的距离。为了估计该距离，它通过采用相关联的发射器系统(在本文中没有描述)朝向对象发射光脉冲而开始。这种光脉冲通常是通过采用源自源的辐射(例如，源自发光二极管的近红外辐射)短暂照明对象来获得的。光脉冲然后由对象至少部分地反射，接着由图像传感器5捕获。然后计算或测量光脉冲在源与对象之间进行回程所花费的时间。图像传感器5有利地位于源附近，该时间对应于光脉冲行进对象与图像传感器5之间分离的距离所花费的时间的大约两倍。
图4的时序图示出了二进制信号RST和SEL_R1以及图像传感器5的同一像素的第一和第二光电探测器(例如，像素50的第一光电探测器50A和第二光电探测器50B)的电位Vtop_C1、Vtop_C2、VFD_1A和VFD_1B的变型的示例。图4还以虚线示出了图像传感器5的另一个像素(例如，像素52)的二进制信号SEL_R2。图4的时序图是考虑到像素50的读出电路60的MOS晶体管是N沟道晶体管的情况下建立了的。为了简化起见，在时序图中没有考虑图像传感器5的像素50的第三光电探测器50C和50D的驱动。
在时间t0处，信号SEL_R1处于低状态，使得像素50的晶体管202断开。然后发起复位阶段。为此目的，信号RST保持在高状态，使得像素50的复位晶体管210导通。然后，在光电二极管50A和50B中累积的电荷朝向电位Vrst的源放电。
仍然在时间t0处，电位Vtop_C1处于高电平。高电平对应于第一光电探测器50A在以下这样的电压下的偏置，该电压大于由被称为“内置电位(built-in potential)”的电位的施加而产生的电压。内置电位相当于阳极的功函数与阴极的功函数之间的差值。当电位Vtop_C1处于高电平时，第一光电探测器50A不会累积电荷。
在继时间t0以后的时间t1之前，电位Vtop_C1被设置为低电平。该低电平对应于第一光电探测器50A在负电压(即小于0V)下的偏置。因此，这使得第一光电探测器50A能够累积光生电荷。先前关于电位Vtop_C1对第一光电探测器50A的偏置所描述的内容变换为电位Vtop_C2对第二光电探测器50B的偏置的操作的解释。
在时间t1处，开始朝向包括一个或多个物体的场景发射第一红外光脉冲(发射的IR光)，其距离期望被测量，这使得能够获取场景的深度图。第一红外光脉冲具有记为tON的持续时间。在时间t1处，信号RST被设置为低电平，使得像素50的复位晶体管210断开，并且电位Vtop_C2被设置为高电平。
在时间t1处，电位Vtop_C1处于低电平，在图像传感器5的像素50的第一光电探测器50A中启动了记为ITA的第一累积阶段。像素的累积阶段指定了在其期间像素在入射辐射的作用下收集电荷的阶段。
在继时间t1以后且与时间t1相隔时间段(记为tD)的时间t2处，开始接收第二红外光脉冲(接收到的IR光)，该第二红外光脉冲源自第一红外光脉冲被场景中的物体或被具有期望测量的至像素50的距离的物体的点的反射。因此，时间段tD是物体至传感器5的距离的函数。然后在第一光电探测器50A中开始第一电荷收集阶段，记为CCA。第一电荷收集阶段对应于在其期间在光电探测器50A中与入射光的强度成比例地(即与第二脉冲的光强度成比例地)生成电荷的时间段。第一电荷收集阶段致使读出电路60A的节点FD_1A处的电位VFD_1A的电平降低。
在本示例中，在继时间t2以后且与时间t1相隔时间段tON的时间t3处，第一红外光脉冲停止发射。电位Vtop_C1同时被设置为高电平，从而标志着第一累积阶段的结束，并因此标志着第一电荷收集阶段的结束。
同时，电位Vtop_C2被设置为低电平。然后在时间t3处，在图像传感器5的像素50的第二光电探测器50B中开始第二累积阶段，记为ITB。假定第二光电探测器50B接收源自第二光脉冲的光，则仍然在时间t3处开始第二电荷收集阶段，记为CCB。第二电荷收集阶段致使读出电路60B的节点FD_1B处的电位VFD_1B的电平降低。
在继时间t3以后且与时间t2相隔基本等于tON的时间段的时间t4处，第二光脉冲停止被像素50的第二光电探测器50B捕获。然后，第二电荷收集阶段在时间t4处结束。
在继时间t4以后的时间t5处，电位Vtop_C2被设置为高电平。因此，这标志着第二累积阶段的结束。
在时间t5与继时间t5以后的时间t6之间，执行读出阶段，记为RT，在此期间测量由图像传感器5的像素的光电二极管收集的电荷量。为此目的，例如循序地读取图像传感器5的像素行。在图4的示例中，信号SEL_R1和SEL_R2被相继设置为高状态，以交替读取图像传感器5的像素50和52。
从时间t6直到继时间t6以后的时间t1’为止，发起新的复位阶段(RESET)。信号RST被设置为高状态，使得像素50的复位晶体管210导通。然后在光电二极管50A和50B中累积的电荷朝向电位Vrst的源放电。
借助于以下公式，计算将第一发射光脉冲的开头与第二接收光脉冲的开头分隔的时间段tD：
[数学运算1]
Figure BDA0003508377830000171
在上面的公式中，记为ΔVFD_1A的量对应于在第一光电探测器50A的累积阶段期间的电位VFD_1A的下降。类似地，记为ΔVFD_1B的量对应于在第二光电探测器50B的累积阶段期间的电位VFD_1B的下降。
在时间t1’处，通过第二光脉冲的发射来发起新的距离估计。新的距离估计包括分别类似于时间t2和t4的时间t2’和t4’。
上文关于飞行时间模式下的操作示例已经说明了图像传感器5的操作，其中同一像素的第一和第二光电探测器以去同步方式来驱动。图像传感器5的优点在于它还可以在其它模式下操作，特别是在同一像素的第一和第二光电探测器以同步方式来驱动的模式。图像传感器5可以例如在全局快门模式下来驱动，即，图像传感器5还可以实施其中第一和第二光电探测器的累积阶段的开头和结尾同时进行的图像获取方法。
因此，图像传感器5的优点在于能够根据不同的模式交替地操作。图像传感器5可以例如在飞行时间模式和全局快门成像模式下交替地操作。
根据实施模式，图像传感器5的第一和第二光电探测器的读出电路在其它操作模式下交替地驱动，例如，在其中图像传感器5能够如下操作的模式：
在部分红外光谱中操作；
在结构光中操作；
在高动态范围成像(HDR)中操作，例如，对于每个像素，确定第一光电探测器之一的累积时间大于第二光电探测器的累积时间；和/或
在背景抑制下操作。
因此，图像传感器5可用于在没有分辨率损失的情况下执行不同类型的图像，这是因为由图像传感器5能够实施的不同成像模式使用了相同数量的像素。能够将多个功能集成在同一像素阵列和读出电路中的图像传感器5的使用特别地使得能够响应电子设备的当前小型化的约束，例如智能电话设计和制造约束。
在下文，图5至图16示出了形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施模式的连续步骤。为了简化起见，下文关于图5至图16所讨论的内容示出了图像传感器5的像素中的一部分的形成，例如，图像传感器5的像素52的第一光电探测器52A和第三光电探测器52C。然而，应该理解，这种方法可以扩展到类似于图像传感器5的图像传感器的任意数量的光电探测器和像素的形成。
图5是形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施模式的步骤的局部简化截面图。
根据该实施例，通过提供特别包括像素52的读出电路(未示出)的CMOS支撑件8而开始。CMOS支撑件8还包括在其上表面80处的接触元件82A和82B。在图5的截面图中，接触元件82A和82B具有“T”形，其中：
水平部分在CMOS支撑件8的上表面80上延伸；并且
竖直部分从CMOS支撑件8的上表面80向下延伸，以接触被耦合或连接到读出电路(未示出)的CMOS支撑件8的下部金属化层(未示出)。
接触元件82A和82B例如由形成在CMOS支撑件8的上表面80上的导电轨道(接触元件82A和82B的水平部分)和接触导电轨道的导电通孔(接触元件82A和82B的竖直部分)形成。导电轨道和导电通孔可以由金属材料制成，例如，银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)和铬(Cr)，或氮化钛(TiN)。导电轨道和导电通孔可以具有单层或多层结构。在导电轨道具有多层结构的情况下，导电轨道可以由被绝缘层分隔开的导电层的堆叠形成。然后通孔横穿绝缘层。导电层可以由来自上面列表的金属材料制成，并且绝缘层可以由氮化硅(SiN)或氧化硅(SiO2)制成。
在该相同步骤期间，清洁CMOS支撑件8以去除其表面80处可能存在的杂质。清洁例如由等离子体执行。因此，该清洁在进行一系列的连续沉积(关于以下附图将详细说明)之前，提供了CMOS支撑件8的令人满意的清洁度。
在本公开的其余部分中，关于图6至图16所描述的方法的实施模式排他地包括在CMOS支撑件8的上表面80上方执行操作。因此，图6至16的CMOS支撑件8在整个过程中优选地与诸如关于图5所讨论的CMOS支撑件8相同。为了简化起见，在以下附图中将不再详细说明CMOS支撑件8。
图6是从诸如关于图5所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施模式的另一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，在接触元件52A和52C的表面处执行对电子注入材料的沉积。优选地选择性地结合到接触元件52A和52C的表面的材料被优选地沉积以形成自装配单层(SAM)。该沉积从而优选地或仅仅覆盖接触元件52A和52C的自由上表面。如图6所示，因此形成了：
像素52的第一有机光电探测器52A的下电极522A；以及
像素52的第三有机光电探测器52C的下电极522C。
作为变体，执行电子注入材料的全板沉积，该电子注入材料具有足够低的横向电导率以避免在两个相邻接触元件之间产生导电路径。
下电极522A和522C形成电子注入层(EIL)以及分别地光电探测器52A和52C。下电极522A和522C也被称为光电探测器52A和52C的阴极。下电极522A和522C优选地通过旋涂或浸涂来形成。
形成下电极522A和522C的材料选自包括以下的群组：
金属或金属合金，例如，银(Ag)、铝(Al)、铅(Pb)、钯(Pd)、金(Au)、铜(Cu)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)，钛或铬(Cr)、或镁银合金(MgAg)；
透明导电氧化物(TCO)，特别是铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、镓锌氧化物(GZO)、ITO/Ag/ITO多层、ITO/Mo/ITO多层、AZO/Ag/AZO多层、或ZnO/Ag/ZnO多层；
聚乙烯亚胺(PEI)聚合物或聚乙氧基乙烯亚胺(PEIE)、丙氧基化和/或丁氧基化的聚合物；
碳、银和/或铜纳米线；
石墨烯；以及
这些材料中的至少两种的混合物。
下电极522A和522C可以具有单层或多层结构。
图7是从诸如关于图6所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，在CMOS支撑件8的上表面侧80上执行第一层520的非选择性沉积。该沉积被称为“全板”沉积，这是因为它覆盖了CMOS支撑件8的整个上表面80以及接触元件52A、52C和下电极522A和522C的自由表面。第一层520的沉积优选地通过旋涂来执行。
根据该实施模式，第一层520旨在形成像素52的光电探测器52A和52C的未来的有源层520A和520C。像素52的光电探测器52A和52C的有源层520A和520C优选地具有与第一层520的组成和厚度相同的组成和厚度。
第一层520可以包括小分子、低聚物或聚合物。这些可以是有机或无机材料，特别地包括量子点。第一层520可以包括双极性半导体材料、或N型半导体材料和P型半导体材料的混合物，例如在纳米尺度上以叠层或紧密混合物的形式来形成本体异质结。第一层520的厚度可以在50nm至2μm的范围内，例如大约300μm。
能够形成层520的P型半导体聚合物的示例是：
聚(3-己基噻吩)(P3HT)；
聚[N-9'-十七烷基-2,7-咔唑-alt-5,5-(4,7-二-2-噻吩基-2',1',3'-苯并噻二唑](PCDTBT)；
聚[(4,8-双-(2-乙基己氧基)-苯并[1,2-b；4,5-b']二噻吩)-2,6-二基-alt-(4-(2-乙基己基)-噻吩并[3,4-b]噻吩))-2,6-二基](PBDTTT-C)；
聚[2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-苯基-亚乙烯基](MEH-PPV)；以及
聚[2,6-(4,4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-alt-4,7(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)。
能够形成层520的N型半导体材料的示例是富勒烯，特别是C60、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯([60]PCBM)、[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯([70]PCBM)、苝二酰亚胺、氧化锌(ZnO)或能够形成量子点的纳米晶体。
图8是从诸如关于图7所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，在CMOS支撑件8的上表面侧80上执行第二层524的非选择性沉积。该沉积被称为“全板”沉积，这是因为它覆盖了第一层520的整个上表面。第二层524的沉积优选地通过旋涂来执行。
根据该实施模式，第二层524旨在形成像素52的光电探测器52A和52C的未来的上电极524A和524C。像素52的光电探测器52A和52C的上电极524A和524C优选地具有与第二层524的组成和厚度相同的组成和厚度。
第二层524对其接收到的光辐射是至少部分地透明的。第二层524可以由透明导电材料制成，例如，透明导电氧化物(TCO)、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属、或者这些化合物中的至少两种的混合物或合金制成。第二层524可以具有单层或多层结构。
能够形成第二层524的TCO的示例是：铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)和镓锌氧化物(GZO)、氮化钛(TiN)、氧化钼(MoO3)和氧化钨(WO3)。能够形成第二层524的导电聚合物的示例是：被称为PEDOT:PSS的聚合物(其是聚(3,4)-乙烯二氧噻吩和聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物)、以及聚苯胺(也被称为PAni)。能够形成第二层524的金属的示例是：银、铝、金、铜、镍、钛和铬。能够形成第二层524的多层结构的示例是：AZO/Ag/AZO型的多层AZO和银结构。
第二层524的厚度可以在10nm至5μm的范围内，例如大约60μm。在第二层524是金属的情况下，第二层524的厚度小于或等于20nm，优选地小于或等于10nm。
图9是从诸如关于图8所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，保护未来的光电探测器52A和52C以用于后续步骤。这种保护例如通过以下方式执行：
第一操作，包括在第二层254的整个上表面上沉积由光刻光致抗蚀剂形成的第三层526(仅其中的两个部分526A和526C在步骤的结尾留下并且被示出)；
第二操作，包括通过掩膜照明第三光致抗蚀剂层526；以及
第三操作，包括采用溶剂去除第三层526的未被照明的部分(在由负性光致抗蚀剂形成第三层的情况下)，以在第一光电二极管52A的位置处仅保留第三层526的第一部分526A(仍然在负性光致抗蚀剂的情况下被照明)并且在第三光电二极管52C的位置处仅保留第三层526的单个部分526C(在负性光致抗蚀剂的情况下被照明)。在第三层526由正性光致抗蚀剂形成的情况下，去除第三层526的被照明部分。
图10是从诸如关于图9所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，例如通过反应性离子蚀刻(RIE)来执行蚀刻操作，以去除第二层524和第一层520的未保护区域。优选地执行各向异性蚀刻，使得该蚀刻优选地(或选择性地、或多半地)使第二层524和第一层520的水平区域相对于层524、520的竖直区域消失。
如图10所示，因此去除了层520、524中未被第三层526的第一部分526A和第二部分526C覆盖的部分以形成：
像素52的第一光电探测器52A的有源区520A；
像素52的第一光电探测器52A的上电极524A；
像素52的第三光电探测器52C的有源区520C；以及
像素52的第三光电探测器52C的上电极524C。
上电极524A和524C分别形成光电探测器52A和52C的空穴注入层(HIL)。上电极524A和524B也被称为光电探测器52A和52C的阳极。
图11是从诸如关于图10所描述的结构，形成图1和2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，去除了第三层526的第一部分526A和第二部分526C。这从而暴露了：
像素52的第一光电探测器52A的上电极524A的上表面；以及
像素52的第三光电探测器52C的上电极524C的上表面。
图12是从诸如关于图11所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，未来的光电探测器52C由封装528C保护。封装528C例如通过以下方式执行：
第一操作，包括在该结构的整个上表面上沉积由可光图案化的电介质材料制成的第四层528(仅其中的一部分528C在步骤的结尾留下并且是可见的)；
第二操作，包括通过掩模照明第四可光图案化的电介质层528；以及
第三操作，包括采用溶剂去除第四层528的未被照明的部分，以在第三光电二极管52C的位置处仅保留第四层528的部分528C(被照明)。因此，由第三光电探测器52C的有源层560A和上电极524C形成的堆叠的自由上表面和侧表面被第四层528的部分528C完全覆盖。形成第四层528的材料从而优选地为负极性树脂。
图13是从诸如关于图12所描述的结构，形成图1和2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，在CMOS支撑件8的上表面侧80上执行第五层530的非选择性沉积(“全板”沉积)。根据该实施例，第五层530旨在延续像素52的光电探测器52A的上电极524A。
根据实施模式，第五层530具有与诸如关于图8所讨论的第二层524的成分相类似(优选地相同)的成分。第五层530然后表现为空穴传输层(HTL)，也被称为接入电极。
根据另一实施模式，第五层530具有与第二层524的成分不相同的成分。
图14是从诸如关于图13所描述的结构，形成图1和2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，在CMOS支撑件8的上表面侧80上执行第六层532的非选择性沉积。该沉积被称为“全板”沉积，这是因为它覆盖了第五层530的整个上表面。第六层532优选地是所谓的“平坦化”层，其使得在光电探测器的封装之前能够获得具有平坦上表面的结构。
第六平坦化层532可以由基于聚合物的电介质材料制成。平坦化层532可以作为变体包含氮化硅(SiN)和氧化硅(SiO2)，该层通过溅射、物理气相沉积(PVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)获得。作为变体，层532由包括交替堆叠的氮化硅层和氧化硅层的多层结构形成，以形成例如SiN/SiO2/SiN/SiO2型结构。
平坦化层532也可以由氟化聚合物(特别是Bellex以商品名“Cytop”商业化的氟化聚合物)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚对二甲苯、聚酰亚胺(PI)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、光刻树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、或这些化合物中的至少两种的混合物制成。
图15是从诸如关于图14所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，第七层534被沉积在CMOS支撑件8的上表面80侧的整个结构上。第七层534旨在封装图像传感器5的有机光电探测器。因此，第七层534使得能够避免形成图像传感器5的光电探测器的有机材料由于暴露于水或环境空气中所包含的湿气而导致的劣化。在图15的示例中，第七层534覆盖第六平坦化层532的整个自由上表面。
图16是从诸如关于图15所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的实施例的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，像素52的微透镜58与光电探测器52A、52B、52C和52D在竖直方向上成一直线而形成(在图16中仅示出了光电探测器52A和52C)。
如关于图2所讨论的，微透镜58可以由二氧化硅、PMMA、正型光敏树脂、PET、PEN、COP、PDMS/硅树脂、或环氧树脂制成。微透镜58可以通过抗蚀剂块的流动来形成。微透镜58还可以通过在PET、PEN、COP、PDMS/硅树脂、或环氧树脂的层上模制来形成。
图17是沿着图1和图2的图像传感器的平面CC(图2)的局部简化截面图。
在图17中，仅示出了图像传感器5的像素52的光电探测器52A和52C以及像素50的光电探测器50A和50C。像素50和52属于图像传感器5的同一像素列。在图17的示例中，像素52的光电探测器52A、52C与像素50的光电探测器50A、5050C彼此分离。因此，沿着图像传感器5的同一列，每个光电探测器与相邻的光电探测器绝缘。
在图17的示例中：
有源层500A、500C、560A和520C彼此分离；
下电极502A、502C、522A和522C彼此分离；
像素52的第一光电探测器52A的上电极524A与像素52的第三光电探测器52C的上电极524C被第四电介质层528的部分528C分离；
像素50的第一光电探测器50A的上电极504A与像素50的第三光电探测器50C的上电极504C被第四电介质层528的部分508C(类似于部分528C)分离；并且
像素52的第一光电探测器52A的上电极524A与像素50的第一光电探测器50A的上电极504C被第五层530分离。
换言之，属于图像传感器5的同一像素列的像素的所有第三光电探测器具有公共的上电极。在图17的示例中，第五层530形成第三光电探测器50C和52C公共的第三上电极。
根据优选实施模式，执行第五层530的沉积，使得第五层530也形成同一列像素的所有第三光电探测器的公共的上电极。在图17的示例中，第五层530然后形成像素50的第三光电探测器50C、50D和像素52的第三光电探测器52C、52D公共的第三上电极，如关于图1所讨论的。
图18视图(A)、(B)和(C)中示出了图1和2的图像传感器5的电极的实施例。这里的视图(A)对应于(B)和(C)的重叠。
视图(A)示出：
图像传感器5的第一光电探测器50A、52A、54A和56A的上电极504A、524A、544A和564A；
图像传感器5的第二光电探测器50B、52B、54B和56B的上电极504B、524B、544B和564B；
图像传感器5的第三光电探测器50C、52C、54C和56C的上电极504C、524C、544C和564C；以及
图像传感器5的第三光电探测器50D、52D、54D和56D的上电极504D、524D、544D和564D。
根据该实施例，第三光电探测器的上电极由同一层536形成，该层536具有视图(B)所示的两个分离部分5360和5362。在该示例中，层536的部分5360和5362各自形成“锯齿形”结构。层536的部分5360由此形成图像传感器5的第一列的像素的第三光电探测器公共的电极。类似地，层536的部分5362形成图像传感器5的第二列的像素的第三光电探测器公共的电极。
因此，层536的部分5360耦合图像传感器5的第一列的像素50和52的第三光电探测器50C、50D、52C和52D的上电极504C、504D、524C和524D。类似地，层536的部分5362耦合图像传感器5的第二列的像素54和56的第三光电探测器54C、54D、56C和56D的上电极544C、54D、564C和564D。
第一光电探测器的上电极由层530形成(如关于图17所讨论的)，该层530的两个分离部分5300和5302在视图(C)中示出。在该示例中，层530的部分5300和5302各自形成条带。层530的部分5300由此形成图像传感器5的第一列的像素的第一光电探测器公共的电极。类似地，层530的部分5302形成图像传感器5的第二列的像素的第一光电探测器公共的电极。
因此，层530的部分5300耦合图像传感器5的第一列的像素50和52的第一光电探测器50A和52A的上电极504A和524A。类似地，层530的部分5302由此耦合图像传感器5的第二列的像素54和56的第一光电探测器54A和56A的上电极544A和564A。
类似地，第二光电探测器的上电极由同一层538形成，该层538的两个分离部分5380和5382在视图(C)中示出。在该示例中，层538的部分5380和5382各自形成条带。层538的部分5380由此形成图像传感器5的第一列的像素的第二光电探测器公共的电极。类似地，层538的部分5382形成图像传感器5的第二列的像素的第二光电探测器公共的电极。
因此，层538的部分5380耦合图像传感器5的第一列的像素50和52的第二光电探测器50B和52B的上电极504B和524B。类似地，层538的部分5382耦合图像传感器5的第二列的像素54和56的第二光电探测器54B和56B的上电极544B和564B。
层530、536和538彼此绝缘。层536与层530、538优选地是不共面的。这使得图像传感器5的光电探测器的不同公共的上电极之间的绝缘能够变得容易。
在下文，图19至24示出了形成图1和2的图像传感器5的方法的另一实施模式的连续步骤。为了简化起见，下文关于图19至24所讨论的内容示出了图像传感器5的像素中的一部分的形成，例如，图像传感器5的像素52的第一光电探测器52A和第三光电探测器52C。然而，应当理解，这种方法可以扩展到类似于图像传感器5的图像传感器的任意数量的光电探测器和像素的形成。
这种其它实施模式的第一步骤类似于先前关于图5至7所描述的实施模式的步骤。为了简化起见，这些步骤在下文中将不再详细说明。
图19是从诸如关于图7所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器的方法的另一实施模式的步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，保护未来的光电探测器52A以用于后续步骤。这种保护例如通过以下方式执行：
第一操作，包括在第一层520的整个上表面上沉积由光刻光致抗蚀剂形成的第八层531(仅其中的一部分531A在步骤的结尾留下并且被示出)。
第二操作，包括通过掩膜照明第八光致抗蚀剂层531；以及
第三操作，包括采用溶剂去除第八层531的被照明部分(在由负性光致抗蚀剂形成第八层531的情况下)，以在第一光电二极管52A的位置处仅保留第八层531的部分531A(仍然在正性光致抗蚀剂的情况下未被照明)。
图20是从诸如关于图19所描述的结构形成图1和2的图像传感器的方法的其它实施模式的另一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，例如通过干蚀刻方法(例如，反应离子蚀刻类型的等离子蚀刻)来执行蚀刻操作，以去除第一层520的未保护区域。优选地执行各向异性蚀刻，使得该蚀刻优选地(或选择性地、或大多数地)使第一层520的水平区域相对于层520的竖直区域消失。
因此，去除了第一层520的未被第八层531的部分531A覆盖的部分以及未来的第三光电探测器52C的下电极522C。如图20所示，由此形成了像素52的第一光电探测器52A的有源层520A，并且暴露了未来的第三光电探测器52C的接触元件82C。
图21是从诸如关于图2所描述的结构形成图1和图2的图像传感器5的方法的其它实施模式的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，在接触元件82C上执行沉积，以恢复未来的第三光电探测器52C的下电极522C。优选地选择性地结合到表面接触元件52C的材料被优选地沉积以形成自装配单层(SAM)。该沉积从而优选地或仅仅覆盖接触元件52C的自由上表面。
然后，在CMOS支撑件8的上表面80上执行第九层533的非选择性沉积。根据该实施模式，第九层533旨在形成像素52的光电探测器52C和52D的未来的有源层520C和520D。像素52的光电探测器52C和52D的有源层520C和520D优选地具有与第一层533的组成和厚度相同的组成和厚度。
根据优选实施模式，第九层533的成分不同于第一层520的成分。第一层520例如具有以可见波长范围为中心的吸收波长，而第九层533例如具有大约940nm的吸收波长。
图22是从诸如关于图21所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的其它实施模式的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，执行第一操作，包括：在CMOS支撑件8的上表面侧80上沉积由光刻光致抗蚀剂形成的第十层535(仅其中的一部分535C在步骤的结尾留下并且被示出)。与关于图19所讨论的步骤处使用的相同抗蚀剂用于形成第八层531。然后，执行第二操作，包括：通过掩模照明第十光致抗蚀剂层。接下来，由溶剂去除第十层535的被照明部分(在由正性抗蚀剂制成第十层535的情况下)，以特别是在第三光电二极管52C的位置处仅保留第十层535的部分535C(未被照明)。
然后，蚀刻第九层533的未被第十层535的部分535C保护的部分。在第九层533中由此形成了被定位于接触元件82A和82C中每个的任一侧的竖直开口。因此，形成了第三光电探测器52C的有源层520C。
图23是从诸如关于图22所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的其它实施模式的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，优选地通过浸入溶剂中(剥离)，来去除第八层531和第十层535的剩余部分。具体而言，去除以下部分：
第八层531的部分531A，其覆盖像素52的第一光电探测器52A的有源层520A；
第十层535的部分535C，其覆盖像素52的第三光电探测器52C的有源层520C。
图24是从诸如关于图23所描述的结构，形成图1和图2的图像传感器5的方法的其它实施模式的又一步骤的局部简化截面图。
在该步骤期间，形成以下：
第一光电探测器52A的上电极524A；
第三光电探测器52C的上电极524C。
如先前关于图8至11所讨论的，优选地形成这些电极。如先前结合图12至16所讨论的，然后执行形成图像传感器5的方法。
图25是图像传感器9的另一实施例的局部简化截面图。
图25所示的图像传感器9与关于图1和2所讨论的图像传感器5相类似。图像传感器9与图像传感器5的不同之处主要在于：
图像传感器9的像素50、52、54和56属于图像传感器9的同一行或同一列(然而，图像传感器5的像素50、52、54和56(图1)分布在图像传感器5的两个不同行和两个不同列上)；并且
图像传感器9的每个像素50、52、54和56具有在其微透镜58下方和钝化层43上的彩色滤光片41R、41G或41B。换言之，在图1中成正方形布置的四个单色像素50、52、54和56在图25中这里并排放置。
更具体地，在图25的示例中，图像传感器9包括：
第一绿色滤光片41G，其内插在像素50的微透镜58与钝化层43之间；
红色滤光片41R，其内插在像素52的微透镜58与钝化层43之间；
第二绿色滤光片41G，其内插在像素54的微透镜58与钝化层43之间；以及
蓝色滤光片41B，其内插在像素56的微透镜58与钝化层43之间。
根据该实施例，图像传感器9的彩色滤光片41R、41G和41B让不同于可见光谱的频率范围内的电磁波通过，并且让红外光谱的电磁波通过。彩色滤光片41R、41G和41B可以对应于彩色树脂块。每个彩色滤光片41R、41G和41B能够让例如在700nm至1mm之间的波长处的红外辐射通过，并且对于彩色滤光片中的至少一些而言能够让可见光的波长范围通过。
对于要获取的彩色图像的每个像素，图像传感器9可以包括：
至少一个像素(例如，像素56)，其彩色滤光片41B能够让例如430nm至490nm的波长范围内的红外辐射和蓝光通过；
至少一个像素(例如，像素50和54)，其彩色滤光片41G能够让例如510nm至570nm的波长范围内的红外辐射和蓝光通过；以及
至少一个像素(例如，像素52)，其彩色滤光片41R能够让例如600nm至720nm的波长范围内的红外辐射和红光通过。
与关于图1和2所讨论的图像传感器5相类似，图像传感器9的每个像素50、52、54、56都具有第一和第二光电探测器，第一和第二光电探测器能够通过飞行时间法估计距离，并且两个第三光电探测器能够捕获图像。因此，每个像素包括四个光电探测器，在图25中由相同的块(OPD)非常示意性地示出。更具体地，在图25中：
像素50包括四个有机光电探测器(块90，OPD)；
像素52包括四个有机光电探测器(块92，OPD)；
像素54包括四个有机光电探测器(块94，OPD)；并且
像素56包括四个有机光电探测器(块96，OPD)。
每个像素50、52、54和56的光电探测器都是共面的，并且每个都与如关于图3所讨论的读出电路相关联。读出电路形成在CMOS支撑件8内部的顶部上。因此，传感器9能够例如交替地执行飞行时间距离估计和彩色图像捕获。
根据实施例，图像传感器9的像素的第一、第二和第三光电探测器的有源层由能够吸收可见光谱和部分红外光谱(优选近红外)的电磁波的相同材料制成。然后图像传感器9可用于交替地获得：
由于第一和第二光电探测器并且例如通过驱动它们而产生的飞行时间距离估计，如结合图4所讨论的那样；以及
由于第三光电探测器并且通过例如以同步方式驱动第三光电探测器而产生的彩色图像。
该实施例的优点在于，图像传感器9具有更高的灵敏度，这是因为在彩色图像的形成期间使用了每个像素的四个光电探测器。
根据另一实施例，图像传感器9的像素的第一和第二光电探测器的有源层由与形成第三光电探测器的有源层的材料不同的材料制成。根据该实施例：
形成第一和第二光电探测器的有源层的材料能够吸收部分红外光谱(优选近红外)的电磁波；并且
形成第三光电探测器的有源层的材料能够吸收可见光谱的电磁波，同时对近红外辐射是透明的。
然后，图像传感器9可用于同时或交替地获得：
由于第一和第二光电探测器并且例如通过驱动它们而产生的飞行时间距离估计，如结合图4所讨论的那样；以及
由于第三光电探测器通过例如以同步方式驱动第三光电探测器而产生的彩色图像。
这种其它实施例的优点在于，图像传感器9能够在彩色图像上叠加由飞行时间距离估计产生的信息。因此，可以想象图像传感器9的操作的实施模式，例如使得能够生成对象的彩色图像并且在其中对于彩色图像的每个像素都包括表示图像传感器9与由所考虑的像素表示的对象区域之间的距离的信息。换言之，图像传感器9可以形成物体表面、面部、场景等等的三维图像。
已经描述了各种实施例、实施模式和变体。本领域技术人员将理解，可以组合这些各种实施例、实施模式和变体的某些特征，并且本领域技术人员将会想到其它变体。
最后，基于在上文给出的功能指示，所描述的实施例、实施模式和变体的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。具体而言，基于上面的指示而将图像传感器5至9的读出电路的驱动适应于其它操作模式，例如用于具有或不具有附加光的红外图像的形成、具有背景抑制的图像的形成、以及高动态范围图像(同时HDR)的形成在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (18)

1.一种像素(50、52、54、56)，其特征在于，包括：
CMOS支撑件(8)；以及
至少两个有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)，
其中同一透镜(58)与所述有机光电探测器竖直地成一直线。
2.一种图像传感器(5；9)，其特征在于，包括根据权利要求1所述的多个像素(50、52、54、56)。
3.一种制造根据权利要求1所述的像素或根据权利要求2所述的图像传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供CMOS支撑件(8)；
每个像素形成至少两个有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)；并且
形成与所述像素或每个像素的有机光电探测器竖直地成一直线的同一透镜(58)。
4.根据权利要求1所述的像素，或根据权利要求2所述的传感器，或根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)是共面的。
5.根据权利要求1或4所述的像素，或根据权利要求2或4所述的传感器，或根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)被电介质(528、508C、528C)彼此分离。
6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的像素，或根据权利要求2、4或5中任一项所述的传感器，或根据权利要求3、4或5中任一项所述的方法，其特征在于，每个有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)包括在所述CMOS支撑件(8)的表面(80)处形成的第一电极(502A、502B、502C、502D、522A、522B、522C、522D、542A、542B、542C、542D、562A、562B、562C、562D)，其与其它有机光电探测器的第一电极分离。
7.根据权利要求6所述的像素、传感器或方法，其特征在于，每个第一电极(502A、502B、502C、502D、522A、522B、522C、522D、542A、542B、542C、542D、562A、562B、562C、562D)被耦合到读出电路(60A、60B、60C、60D)，优选地被连接到读出电路(60A、60B、60C、60D)，每个读出电路优选地包括在所述CMOS支撑件(8)中形成的三个晶体管(200、202、210)。
8.根据权利要求1、4至7中任一项所述的像素，或根据权利要求2、4至7中任一项所述的传感器，或根据权利要求3、4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述有机光电探测器(50A、50B、50C、50D、52A、52B、52C、52D、54A、54B、54C、54D、56A、56B、56C、56D)能够通过飞行时间法估计距离。
9.根据权利要求1、4至8中任一项所述的像素，或根据权利要求2、4至8中任一项所述的传感器，其特征在于，能够：
在部分红外光谱中操作；
在结构光中操作；
在高动态范围成像HDR中操作；和/或
在背景抑制下操作。
10.根据权利要求2、4至9中任一项所述的图像传感器，其特征在于，每个像素(50、52、54、56)还包括在所述透镜(58)下的彩色滤光片(41R、41G、41B)，所述彩色滤光片让可见光谱的频率范围内和红外光谱内的电磁波通过。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，能够捕获彩色图像。
12.根据权利要求1、4至9中任一项所述的像素，或根据权利要求2、4至11中任一项所述的传感器，或根据权利要求3至8中任一项所述的方法，其特征在于，每个像素(50、52、54、56)恰好包括：
第一有机光电探测器(50A、52A、54A、56A)；
第二有机光电探测器(50B、52B、54B、56B)；以及
两个第三有机光电探测器(50C、50D、52C、52D、54C、54D、56C、56D)。
13.根据权利要求12所述的像素、传感器或方法，其特征在于，对于每个像素(50、52、54、56)，所述第一有机光电探测器(50A、52A、54A、56A)、所述第二有机光电探测器(50B、52B、54B、56B)和所述第三有机光电探测器(50C、50D、52C、52D、54C、54D、56C、56D)具有正方形形状并且共同地内接在正方形内。
14.根据权利要求12或13以及根据权利要求6所述的像素、传感器或方法，其特征在于，对于每个像素(50、52、54、56)：
所述第一有机光电探测器(50A、52A、54A、56A)被连接到第二电极(504A、524A、544A、564A)；
所述第二有机光电探测器(50B、52B、54B、56B)被连接到第三电极(504B、524B、544B、564B)；并且
所述第三有机光电探测器(50C、50D、52C、52D、54C、54D、56C、56D)被连接到同一第四电极(536、5360、5362)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的像素、传感器或方法，其特征在于：
所述第一有机光电探测器(50A、52A、54A、56A)和所述第二有机光电探测器(50B、52B、54B、56B)包括由同一第一材料制成的第一有源层(500A、520A、540A、560A、500B、520B、540B、560B)；并且
所述第三有机光电探测器(50C、50D、52C、52D、54C、54D、56C、56D)包括由第二材料制成的第二有源层(500C、520C、540C、560C、500D、520D、540D、560D)。
16.根据权利要求15所述的像素、传感器或方法，其特征在于，所述第一材料与所述第二材料相同，所述材料能够吸收可见光谱和部分红外光谱的电磁波。
17.根据权利要求15所述的像素、传感器或方法，其特征在于，所述第一材料与所述第二材料不同，所述第一材料能够吸收部分红外光谱的电磁波，并且所述第二材料能够吸收可见光谱的电磁波。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的传感器，其特征在于：
所述第二电极(504A、524A、544A、564A)对所述传感器(5；9)的像素(50、52、54、56)的所有第一有机光电探测器(50A、52A、54A、56A)是公共的；
所述第三电极(504B、524B、544B、564B)对所述传感器(5；9)的像素(50、52、54、56)的所有第二有机光电探测器(50B、52B、54B、56B)是公共的；并且
所述第四电极(536、5360、5362)对所述传感器(5；9)的像素(50、52、54、56)的所有第三有机光电探测器(50C、50D、52C、52D、54C、54D、56C、56D)是公共的。
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