CN114520238A - 图像传感器及深度成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像传感器及深度成像系统，所述图像传感器包括：负电极层，形成于驱动层中；N区层，对应形成于所述负电极层表面，包含由半导体材料形成的若干圆柱状结构；光吸收层，对应形成于所述N区层表面，至少包含由量子点半导体材料形成的P区层；正电极层，对应形成于所述光吸收层表面，接收入射光束。本发明中图像传感器中光吸收层中包含量子点半导体材料，能够明显提升Time of Flight(TOF)深度成像系统的探测距离与精度。

Description

图像传感器及深度成像系统
技术领域
本发明涉及图像技术领域，特别是涉及深度成像技术领域，具体为一种图像传感器及深度成像系统。
背景技术
深度成像系统一般可以探测成像物体(空间)的三维成像信息，又被称为3D成像系统。深度成像系统通常由：光源发射模块、三维感光模块、光学镜头和图像处理芯片等组成。根据测量原理不同，主流的深度成像系统一般分为以下几种方法：飞行时间法、结构光法、双目立体视觉法。
飞行时间(Time of Flight,TOF)的测距原理是通过连续发射经过调制的特定频率的光脉冲(一般为不可见光)到被观测物体上，然后接收从物体反射回去的光脉冲，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来计算被测物体离成像系统的距离。
结构光法(structured light)的光投射器使用具有特定模式的图案(比如离散光斑、条纹光、编码结构光等)，将特定模式的图案投影到三维空间物体表面上，使用三维感光模块观察在三维物体表面成像的畸变情况。如果被测物体表面起伏不平，三维感光模块观察到的结构光图案就会产生不同的扭曲变形，扭曲程度和距离有明显关系，根据已知的结构光图案及观察到的变形，结构光算法就能够计算被测物的三维形状及深度信息。
双目立体视觉法的原理和人眼类似，通过计算空间中同一个物体在两个相机成像的视差就可以根据如下三角关系计算得到物体离相机的距离。
目前主流深度成像系统产品包括：微软的Kinect系列、华硕的Xtion、Intel的Realsense系列等。深度成像系统产品在三维建模、自然人机交互(手势/人脸识别)、AR/VR、自动驾驶等领域有非常广泛的应用。深度成像系统产品有希望引领新一代人机交互方式。
深度成像系统包含众多复杂的组件：光源发射模块、三维感光模块、光学镜头和图像处理芯片等组成。深度成像系统(TOF)的小型化，用于智能手机是一个难点；TOF的探测距离也很有限(5cm-2.5m)，如果能够增加TOF的探测距离与精度，那么TOF在智能游戏、自动驾驶、3D交互控制等领域有更加广阔的应用。
发明内容
为了解决上述的以及其他潜在的技术问题，本发明的实施例提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：负电极层，形成于驱动层中；N区层，对应形成于所述负电极层表面，包含由半导体材料形成的若干圆柱状结构；光吸收层，对应形成于所述N区层表面，所述光吸收层由多层结构组成，至少包含由量子点半导体材料形成的P区层；正电极层，对应形成于所述光吸收层表面，接收入射光束。
于本发明的一实施例中，所述P区层包括：第一P区层，对应形成于所述N区层表面；第二P区层，掺杂浓度高于所述第一P区层的掺杂浓度，对应形成于所述第一P区层表面。
于本发明的一实施例中，所述第一P区层由量子点半导体材料形成，所述第二P区层由有机半导体材料或无机化合物形成；或者所述第一P区层由有机半导体材料或无机化合物形成，所述第二P区层量子点半导体材料形成；或者所述第一P区层和所述第二P区层均由量子点半导体材料形成。
于本发明的一实施例中，所述光吸收层包括还包括：I区层，对应形成于所述N区层表面；所述P区层对应形成于所述I区层表面。
于本发明的一实施例中，所述光吸收层包括：第三P区层，对应形成于所述N区层表面；I区层，对应形成于所述第三P区层表面；第四P区层，掺杂浓度高于所述第三P区层的掺杂浓度，对应形成于所述I区层表面。
于本发明的一实施例中，所述第三P区层由量子点半导体材料形成，所述第四P区层由有机半导体材料或无机化合物形成；或者所述第三P区层由有机半导体材料或无机化合物形成，所述第四P区层量子点半导体材料形成；或者所述第三P区层和所述第四P区层均由量子点半导体材料形成。
于本发明的一实施例中，所述图像传感器还包括：滤光层，形成于所述正电极层表面，用于滤除预设范围内波长的光束；微透镜层，形成于所述滤光层表面，并与所述N区层中的各圆柱状结构的位置对应。
于本发明的一实施例中，所述N区层由量子点半导体材料、半导体纳米颗粒、无机或有机半导体体材料组成。
于本发明的一实施例中，所述量子点半导体材料由体材料组成、两种或两种以上的半导体材料组成。
于本发明的一实施例中，各所述圆柱状结构之间为绝缘介质。
于本发明的一实施例中，所述的绝缘介质为无机介质或有机绝缘介质。
本发明的实施例还提供一种深度成像系统，包括：光发射器，光学镜头，如上所述的图像传感器以及图像处理器；所述光发射器用于发射肉眼不可见光的光束；所述光学镜头发射的光束经所述光学镜头照射到成像物体，所述成像物体反射的光束经所述光学镜头进入所述的图像传感器；所述图像传感器用于接收所述成像物体反射的光束，生成光信号；所述图像处理器将所述图像传感器输出的光信号处理为所需的深度图像数据。
于本发明的一实施例中，所述光发射器和所述图像传感器集成在一个封装内。
如上所述，本发明的图像传感器及深度成像系统具有以下有益效果：
1、本发明中图像传感器中光吸收层中包含量子点半导体材料，能够明显提升深度成像系统的探测距离与精度。
2、本发明将光发射器和图像传感器集成在一个封装内，形成独立的封装模组，提高了深度成像系统的集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1显示为本发明的图像传感器在一实施例中的一种原理结构图。
图2显示为本发明的图像传感器在一实施例中的另一种原理结构图。
图3显示为本发明的图像传感器在另一实施例中的一种原理结构图。
图4显示为本发明的图像传感器中N层的俯视图。
图5显示为本发明的图像传感器中N层的剖面示意图。
图6显示为本发明的深度成像系统的原理结构示意图。
元件标号说明
1 深度成像系统
10 图像传感器
20 光发射器
30 光学镜头
301 第一光学镜头
302 第二光学镜头
40 图像处理器
110 负电极层
120 N区层
130 第一P区层
140 第二P区层
150 正电极层
160 滤光层
170 微透镜层
180 第三P区层
190 第四P区层
1100 I区层
1110 I区层
2 成像物体
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例的目的在于提供一种图像传感器及深度成像系统，用于解决现有技术中深度成像系统(TOF)探测距离与精度有限的问题。本实施例的图像传感器及深度成像系统深度挖掘了量子点半导体材料图像传感器的应用的潜力，提出一种全新的基于量子点半导体材料的光学图像传感器，能够明显提升TOF的探测距离与精度。
以下将详细阐述本发明的图像传感器及深度成像系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的图像传感器及深度成像系统。
实施例1
具体地，如图1所示，本实施例提供一种图像传感器10，所述图像传感器10包括：负电极层110，N区层120，光吸收层，以及正电极层150。
以下对本实施例的图像传感器10进行详细说明。
于本实施例中，所述负电极层110形成于一驱动层中。
其中，所述驱动层包括但不限于由CMOS，TFT等构成的驱动电路。
所述负电极层110包括若干金属电极，其中，金属电极采用铝、Ag、Au等金属材料，所述负电极层110采用但不限于蒸镀工艺制作形成。其中，所述负电极层110形成的负电极结构例如为但不限于工字型。各负电极的间隔之间均为绝缘材料填充。
于本实施例中，所述N区层120对应形成于所述负电极层110表面，包含由半导体材料形成的若干圆柱状结构。于本实施例中，所述光吸收层对应形成于所述N区层120表面。所述光吸收层可由多层结构组成，其中至少包含由量子点半导体材料形成的P区层。
量子点是一种重要的低维半导体材料，三个维度至少有一维的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20nm之间。常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。量子点是一种纳米尺度的半导体。通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色。由于这种纳米半导体拥有限制电子和空穴的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。
本实施例中，所述量子点半导体材料由体材料组成、两种或两种以上的半导体材料组成。
具体地，本实施例中采用的量子点半导体材料可以由体材料组成(如硅量子点)，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成，如由IIB、VIA族元素(CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)，IIIA、VA族元素(InP、InAs等)或IV、VI族化合物(PbS、PbSe等)组成。
本实施例中采用的量子点半导体材料对近红外(800～1500nm)的外量子效率超过80％，对近红外波段的光具有极高的信噪比，可以实现在0.1～100m范围内精准测距。
本实施例中，所述光吸收层(至少包含由量子点半导体材料形成的P区层)具体可采用如下三种结构中的任一种。
1)第一种光吸收层结构：
如图1所示，所述P区层包括：第一P区层130(图1中所示的P)和第二P区层140(图1中所示的P+)。即此时所述光吸收层的结构由两层P区层组成：第一P区层130和第二P区层140。
所述第一P区层130即图1中所示的P，对应形成于所述N区层120表面，第二P区层140即图1中所示的P+，掺杂浓度高于所述第一P区层130的掺杂浓度，对应形成于所述第一P区层130表面。
所述第一P区层130为低掺杂光吸收层，所述第二P区层140为高掺杂光吸收层，所述第一P区层130和所述第二P区层140相差的掺杂倍数为5～1000。
其中，所述第一P区层130和所述第二P区层140中至少有一层是由量子点半导体材料形成。
例如，所述第一P区层由量子点半导体材料形成，所述第二P区层140由有机半导体材料或无机化合物形成；或者所述第一P区层由有机半导体材料或无机化合物形成，所述第二P区层140量子点半导体材料形成；或者所述第一P区层和所述第二P区层140均由量子点半导体材料形成。
其中，所述第一P区层130制作方式为但不限于涂抹、刮抹、喷印外延或淀积等。所述第二P区层140制作方式为但不限于液相涂抹、刮涂、打印外延或淀积等。
2)第二种光吸收层结构：
如图2所示，所述光吸收层包括还包括：I区层1100，对应形成于所述N区层120表面；所述P区层对应形成于所述I区层1100表面。即此时，所述光吸收层包括两层结构：P区层(图2中所示的P+)和I区层1100(图2中所示的I)。
此时，P区层为单层，相当于第二P区层140，所述P区层由量子点半导体材料形成，所述P区层制作方式为但不限于液相涂抹、刮涂、打印外延或淀积等。
所述I区层1100由量子点半导体材料形成，制作方式为但不限于涂抹、刮抹、喷印外延或淀积等。
3)第三种光吸收层结构：
如图3所示，所述光吸收层包括：第三P区层180(图3中所示的P+)，I区层1110(图3中所示的I)和第四P区层190(图3中所示的P++)。
于本实施例中，如图3所示，所述第三P区层180对应形成于所述N区层120表面；所述I区层1110对应形成于所述第三P区层180表面；所述第四P区层190掺杂浓度高于所述第三P区层180的掺杂浓度，对应形成于所述I区层1110表面。
所述第三P区层180为低掺杂光吸收层，所述第四P区层190为高掺杂光吸收层，所述第三P区层180和所述第四P区层190相差的掺杂倍数为5～1000。
其中，所述第三P区层180和所述第四P区层190中至少有一层是由量子点半导体材料形成。
具体地，于本实施例中，例如，所述第三P区层180由量子点半导体材料形成，所述第四P区层190由有机半导体材料或无机化合物形成；或者所述第三P区层180由有机半导体材料或无机化合物形成，所述第四P区层190量子点半导体材料形成；或者所述第三P区层180和所述第四P区层190均由量子点半导体材料形成。
其中，所述第三P区层180制作方式为但不限于涂抹、刮抹、喷印外延或淀积等。所述第四P区层190制作方式为但不限于液相涂抹、刮涂、打印外延或淀积等。
图1中作为吸光层的第一P区层130(图1中所示的P)和第二P区层140(图1中所示的P+)因为要吸收波长的光，禁带宽度一般会小于1.3eV，窄禁带材料在强电场下会很容易产生隧穿电流影响器件的正常工作，为了减小隧穿带来的暗电流，图3采用了分离光吸收层和电荷倍增区的结构，光吸收层放在P++/P+层之间，P+层采用比禁带宽度更宽的材料充当倍增区，这种结构大大缓解了光吸收层的电场强度，从而有效降低暗电流形成的暗击穿概率(DCR)。
于本实施例中，所述N区层120(图1至图3中所示的N)对应形成于所述负电极层110表面，包含由半导体材料形成的若干圆柱状结构。
于本实施例中，所述N区层120由量子点半导体材料、半导体纳米颗粒、无机或有机半导体体材料组成。
具体地，于本实施例中，所述N区层120的俯视图如图4所示，各所述圆柱状结构之间为绝缘介质。
其中，所述绝缘介质为无机介质或有机绝缘介质。例如，所述绝缘介质可以是二氧化硅、氮化硅等无机介质。
于本实施例中，例如，在制作完驱动层(CMOS/TFT)最后一步完成后做好金属电极(负电极层110)，如图5所示，负电极侧边都是被绝缘层包围，负电极的上面部分的绝缘层挖空成圆形坑，在这个的表面的基础上开始SPAD器件的加工，例如，自下往上分别制作所述N区层120(N+)、第一P区层(P)、第二P区层140(P+)、正电极层150，最终在驱动层(CMOS/TFT)上方形成如图1所示的P+/P/N+结构的单光子雪崩二极管(SPAD)器件，或者自下往上分别制作所述N区层120(N+)、I区层1100(I)、P区层(P+)、正电极层150，最终在驱动层(CMOS/TFT)上方形成如图2所示的P+/I/N+结构的SPAD器件，或者自下往上分别制作所述N区层120(N+)、第三P区层180(P+)I区层1110(I)、第四P区层190(P++)、正电极层150，最终在驱动层(CMOS/TFT)上方形成如图3所示的P++/I/P+/N+结构的SPAD器件，器件通过负电极直接与下面的CMOS/TFT电路部分连接。
于本实施例中，所述正电极层150对应形成于所述光吸收层表面，接收入射光束。
正常工作下，所有像素的正极通过正电极接到了一起，负电极部分由CMOS/TFT电路控制，作为SPAD应用器件工作在反向偏置下，负电极上加载高压让器件P/N+结处在很高的电场强度下，弱光甚至单光子级别的光线照射下，光吸收层吸收光产生电子空穴对，在电场的作用下电子往负电极移动，在P/N+界面的强电场下加速发生碰撞电离，产生更多的电子空穴对，最终形成～1e5以上量级的电流倍增，连接负极的CMOS/TFT控制电路在发生大电流后通过抑制电路的设计控制电场强度恢复到雪崩倍增的时间，另外读取大电流脉冲实现计时计数。
于本实施例中，所述图像传感器10还包括：滤光层160，形成于所述正电极层150表面，用于滤除预设范围内波长的光束；微透镜层170，形成于所述滤光层160表面，并与所述N区层120中的各圆柱状结构的位置对应。
由于图像像素大小是由N层区中的圆柱状结构的圆面积大小决定，这些圆柱状结构之间的间距会形成图像传感器10的盲区，这部分性能有参数像素填充率(FF)描述，为了提高FF，本实施例在图像传感器10的正电极层150上方形成一了层微透镜层170(microlens)，利用微透镜层170(micro lens)对FF进行补偿，可以把FF补偿到甚至100％。
另外，由于通常图像传感器10的检测目标在固定波长，还可以在微透镜层170和正电极层150表面之间再加上一层滤光层160，滤除不感兴趣的其他波长的信号。
入射光线，经过微透镜层170，再经过滤光层160(color filter)，进入本实施例中图像传感器10的正极。微透镜层170和滤光层160不管是上面的P+/P(I)/N的结构还是P++/I/P+/N结构都是可选方案，用滤光层160可以选择让指定波长的光线通过。利用图像传感器10中包含量子点半导体材料的光吸收层可以有比较低的成本，实现对近红外波长800～1500nm的光信号的检测，单光子检测率高。
实施例2
如图6所示，本实施例提供一种深度成像系统1，所述深度成像系统1包括：光发射器20，光学镜头30，图像处理器40以及如实施例1中所述的图像传感器10。
其中，所述光发射器20用于发射肉眼不可见光的光束；所述光发射器20发射的光束经第一光学镜头301照射到成像物体2，所述成像物体2反射的光束经第二光学镜头302进入所述的图像传感器10；所述图像传感器10用于接收所述成像物体2反射的光束，生成光信号；所述图像处理器40将所述图像传感器10输出的光信号处理为所需的深度图像数据。
于本实施例中，所述光发射器20和所述图像传感器10集成在一个封装内。即将TOF的光学发射器和光学接收器封装在单个模组里面，以提高基于TOF的深度成像系统1的集成度。
实施例1中已经对图像传感器10进行了详细说明，本实施例不再对图像传感器10进行赘述。
于本实施例中，所述光发射器20采用但不限于LED或VESEL作为光源。第一光学镜头301包含但不限于准直光学器件和衍射光学元件(达曼光栅或者DOE)，也可以是匀光元件(Diffuser)。所述光发射器20发射不可见光光束，不可见光光束经过所述深度成像系统1成为具有特定模式的光束。如图6所示，特定模式的光束照射到成像物体2，光束经过成像物体2反射之后，所述光学镜头30接收成像物体2的反射光束。环境杂光也会进入所述光学镜头30被所述光学镜头30接收。所述光学镜头30包含光学透镜组和光学带通滤波器。经过光学镜头30之后，环境光和其他杂光会被部分过滤掉，保留下光发射器20光谱带宽内的光束。过滤后的光束进入所述图像传感器10，所述图像传感器10根据接收的光束生成光信号；所述图像处理器40将光信号通过芯片处理转换成深度数据。
综上所述，本发明中图像传感器中光吸收层中包含量子点半导体材料，能够明显提升深度成像系统的探测距离与精度；本发明将光发射器和图像传感器集成在一个封装内，形成独立的封装模组，提高了深度成像系统的集成度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包括通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种图像传感器，其特征在于：所述图像传感器包括：
负电极层，形成于驱动层中；
N区层，对应形成于所述负电极层表面，包含由半导体材料形成的若干圆柱状结构；
光吸收层，对应形成于所述N区层表面，所述光吸收层由多层结构组成，至少包含由量子点半导体材料形成的P区层；
正电极层，对应形成于所述光吸收层表面，接收入射光束。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述P区层包括：
第一P区层，对应形成于所述N区层表面；
第二P区层，掺杂浓度高于所述第一P区层的掺杂浓度，对应形成于所述第一P区层表面。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于：所述第一P区层由量子点半导体材料形成，所述第二P区层由有机半导体材料或无机化合物形成；或者所述第一P区层由有机半导体材料或无机化合物形成，所述第二P区层量子点半导体材料形成；或者所述第一P区层和所述第二P区层均由量子点半导体材料形成。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述光吸收层包括还包括：I区层，对应形成于所述N区层表面；所述P区层对应形成于所述I区层表面。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述光吸收层包括：
第三P区层，对应形成于所述N区层表面；
I区层，对应形成于所述第三P区层表面；
第四P区层，掺杂浓度高于所述第三P区层的掺杂浓度，对应形成于所述I区层表面。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于：所述第三P区层由量子点半导体材料形成，所述第四P区层由有机半导体材料或无机化合物形成；或者所述第三P区层由有机半导体材料或无机化合物形成，所述第四P区层量子点半导体材料形成；或者所述第三P区层和所述第四P区层均由量子点半导体材料形成。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括：
滤光层，形成于所述正电极层表面，用于滤除预设范围内波长的光束；
微透镜层，形成于所述滤光层表面，并与所述N区层中的各圆柱状结构的位置对应。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述N区层由量子点半导体材料、半导体纳米颗粒、无机或有机半导体体材料组成。
9.根据权利要求1或8所述的图像传感器，其特征在于：所述量子点半导体材料由体材料组成、两种或两种以上的半导体材料组成。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：各所述圆柱状结构之间为绝缘介质。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于：所述的绝缘介质为无机介质或有机绝缘介质。
12.一种深度成像系统，其特征在于：包括：光发射器，光学镜头，如权利要求1至权利要求11任一权利要求所述的图像传感器以及图像处理器；
所述光发射器用于发射肉眼不可见光的光束；
所述光学镜头发射的光束经所述光学镜头照射到成像物体，所述成像物体反射的光束经所述光学镜头进入所述的图像传感器；
所述图像传感器用于接收所述成像物体反射的光束，生成光信号；
所述图像处理器将所述图像传感器输出的光信号处理为所需的深度图像数据。
13.根据权利要求12所述的深度成像系统，其特征在于：所述光发射器和所述图像传感器集成在一个封装内。
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