CN1901630A - 影像感测单元及其应用的cmos影像感测装置与阵列 - Google Patents

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许慈轩
杨敦年
张志光
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Abstract

本发明关于一种影像感测单元及其应用的CMOS影像感测装置与阵列，该影像感测单元包括：一第一像素区，其内设置有至少一第一感光二极管，第一感光二极管是针对一第一色彩的一光信号而产生一第一感测信号；一第二像素区，邻近第一像素区，其内设置有至少一第二感光二极管，第二感光二极管是针对一第二色彩的一光信号而产生一第二感测信号；一第三像素区邻近第一与第二像素区，其内设置有至少一第三感光二极管，第三感光二极管是针对一第三色彩的一光信号而产生一第三感测信号；至少一感测放大器大体设置于第一、第二与第三像素区内，以放大第一、第二与第三感测信号，第一、第二、第三像素区大体上具有相同的尺寸并占据影像感测单元的整体区域。

Description

影像感测单元及其应用的CMOS影像感测装置与阵列
技术领域
本发明是有关于一种集成电路设计，且特别是有关于一种互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感测装置(image sensor device)及其影像感测阵列。
背景技术
当今彩色的互补型金属氧化物半导体影像感测装置(CMOSimage sensor device)已广为应用以提供真实的色彩影像，且已广为应用于如数字相机的电子产品中。彩色CMOS影像感测装置可产生代表影像中的各像素的一数字/模拟输出，并较已知电荷耦合元件(CCD)消耗较少电量，因而增加了今日消费电子产品的电池寿命。
通常，彩色CMOS影像感应装置包括至少一微透镜、彩色滤光片、至少一感光二极管、耦合于感光二极管的一转移晶体管以及用于放大由感光二极管所产生的一感测信号的一感测放大器。结合多个彩色感光二极管与彩色滤光片一起作用则使得影像感测器显现出一真实的彩色影像。
当今影像感测单元阵列应用了多种布局图案，其中已知影像感测单元阵列较常应用的布局图案的一为拜尔图案(Bayerpattern)。拜尔图案影像感测单元包括四个方形像素，其依照2×2的形式设置在一起，其中两绿色像素是对角地设置，而一红色像素以及一蓝色像素则设置于其他两角落以显现出一真实色彩。
图1A显示了已知的拜尔图案的影像感测单元阵列的示意图100。在此，拜尔图案的影像感测单元阵列是依照3×3方式设置，具有三行与三列的影像感测单元。其中各个拜尔图案影像感测单元，例如各影像感测单元102，需要四个设置在一起的方形像素区，借以显现出一真实色彩。于各拜尔图案影像感测单元中，包括了一蓝色像素区、一红色像素区以及两绿色像素区。于此些像素区内则设置有一或多个如感光二极管与晶体管的电子元件借以针对感光信号而产生感不同色彩的感测信号。于此拜尔图案影像感测单元102中，绿色像素区104是设置于左上边角，而另一绿色像素区106则设置于右下方边角。红色像素区108则设置于右上边角，而蓝色像素区110则设置于左下方边角。依照如此的安排，示意图100内的具有拜尔图案影像感应单元对于一宽广影像可显现出真实的色彩感应能力。
上述已知的影像感测单元具有如颜色失真(color distortion)与串音噪音(cross-talk noise)等缺点。如拜尔图案影像感应单元102所示，真实色彩通过包括两个绿色像素区104、106以及一个红色像素区108以及一个蓝色像素区110四个色彩像素所显现出。如此将造成色彩分布的不平衡，因而导致了颜色失真与不同的串音噪声程度。
此外，如此方形外型的拜尔图案影像感测装置需要方形外型的微透镜(micro-lens)。图1B显示了用于影像感测单元阵列的由微透镜层所组成的一组微透镜的一示意图112。当图1A内所示的各像素区域具有一极佳90度边角时，真实环境中用于像素区的此方形微透镜于其边角处已为圆滑化。区域114显示出于四个相邻的微透镜间的区域损失情形。于微透镜区的如此损失则劣化了上述的已知影像感测单元的感光度。
通常，于像素区内包括用于感测光信号的一感光二极管与用于控制及放大由感光二极管所产生的一感测信号的数个电子元件。填充系数是由感光二极管的区域除上像素区所定义得到，代表了用于量测影像感测单元的有效度的一参数。当影像感测单元的尺寸随着新技术而持续缩减时，于像素区电子元件的尺寸内很难更进一步的缩减，而只有感光二极管的尺寸可更为缩减。对于各已知的拜尔图案影像感测单元而言，由于像素区数量较多，因而像素区的尺寸相对为小。由于电子装置的尺寸难以更为缩减，小的像素区代表了一更小的感光二极管区以及填充系数，其正比于感光度。因此，已知影像感测单元于进一步的尺寸缩减时感到更为不利。
然而，对于色谱分析法而言，如此的已知的拜尔图案影像感测单元并非最佳的布局，且遭遇了如不良的填充系数(fill actor)、颜色失真(color distortion)、串音噪声(cross-talk noise)、不良的量子效率(quantum efficiency)以及微透镜边角圆滑化等问题。
因此，为了克服上述问题，便需要一种较佳的影像感测单元。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的就是提供一种影像感测单元，适用于CMOS影像感测装置与阵列。
发明提供一种影像感测单元(image sensor cell)，包括：一第一像素区，其内设置有至少一第一感光二极管(photodiode)，该第一感光二极管是针对一第一色彩的一光信号(photo-signal)而产生一第一感测信号；一第二像素区，相邻于该第一像素区，其内设置有至少一第二感光二极管，该第二感光二极管是针对一第二色彩的一光信号而产生一第二感测信号；一第三像素区相邻于该第一与第二像素区，其内设置有至少一第三感光二极管，该第三感光二极管是针对一第三色彩的一光信号而产生一第三感测信号；至少一感测放大器(sense amplifier)大体设置于该第一、第二与第三像素区内，以放大该第一、第二与第三感测信号，其中该第一、第二、第三像素区大体上具有相同的尺寸并占据该影像感测单元的整体区域。
本发明所述的影像感测单元，该第一像素区、第二像素区与第三像素区具有大体六角形(hexagonal)的一外型。
本发明所述的影像感测单元，该第一像素区与第二像素区共用一共通边界线(boundary line)，而该第二像素区与第三像素区共用一共通边界线，而该第三像素区与第一像素区共用一共通边界线。
本发明所述的影像感测单元，该第一色彩为红色，该第二色彩为绿色，而该第三色彩为蓝色。
本发明所述的影像感测单元，更包括一第一晶体管，设置于该第一像素区内并耦接该第一感光二极管，以选择性地传输该第一感测信号；一第二晶体管，设置于该第二像素区内并耦接于该第二感光二极管，以选择性地传输该第二感测信号；以及一第三晶体管，设置于该第三像素区内并耦接于该第三感光二极管，以选择性地传输该第三感测信号。
本发明所述的影像感测单元，该感测放大器包括一源跟随器晶体管，该源跟随器晶体管具有耦接于一操作电压的一漏极与耦接于该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出的一栅极，用以针对该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出而分别传输该操作电压至其源极。
本发明所述的影像感测单元，该感测放大器包括一重设晶体管，该重设晶体管具有耦接于一操作电压的一漏极、耦接于该源跟随器晶体管的栅极与该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出的一源极，以选择地传输该操作电压至该源跟随器晶体管的该栅极；以及一选择(select)晶体管，耦接于该源跟随器晶体管的源极与一源极电流间。
本发明所述的影像感测单元，该第一像素区、第二像素区与第三像素区具有大体圆形的外型且彼此相接触。
本发明还提供一种互补型金属氧化物半导体影像感测装置，具有多个可感应光信号的感测单元的一阵列，其中各影像感测单元包括：一第一六角形像素区，其内设置有至少一第一感光二极管，该第一感光二极管是针对一第一色彩的一光信号而产生一第一感测信号；一第二六角形像素区相邻于该第一六角形像素区，其内设置有至少一第二感光二极管，该第二感光二极管是针对一第二色彩的一光信号而产生一第二感测信号；一第三六角形像素区相邻于该第一六角形像素区与该第二六角形像素区，其内设置有至少一第三感光二极管，该第三感光二极管是针对一第三色彩的一光信号而产生一第三感测信号；以及至少一感测放大器，大体设置于该第一六角形像素区、第二六角形像素区与第三六角形像素区内，以放大该第一感测信号、第二感测信号与第三感测信号，其中该第一六角形像素区、第二六角形像素区、第三六角形像素区大体上具有相同的尺寸并占据该影像感测单元的整个区域。
本发明所述的互补型金属氧化物半导体影像感测装置，该第一六角形像素区与第二六角形像素区共用一共通边界线，该第二六角形像素区与第三六角形像素区共用一共通边界线，而该第三六角形像素区与第一六角形像素区共用一共通边界线。
本发明所述的互补型金属氧化物半导体影像感测装置，更包括一第一晶体管，设置于该第一六角形像素区内并耦接于该第一感光二极管，以选择性地传输该第一感测信号；一第二晶体管，设置于该第二六角形像素区内并耦接于该第二感光二极管，以选择性地传输该第二感测信号；以及一第三晶体管，设置于该第三六角形像素区内并耦接于该第三感光二极管，以选择性地传输该第三感测信号。
本发明所述的互补型金属氧化物半导体影像感测装置，该感测放大器包括一源跟随器晶体管，该源跟随器晶体管具有耦接于一操作电压的一漏极以及耦接于该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出的一栅极，以针对该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出而分别传输该操作电压至其源极。
本发明又提供一种互补型金属氧化物半导体影像感测阵列，适用于感应光信号，所述互补型金属氧化物半导体影像感测阵列包括：多个影像感测单元，各影像感测单元包括一第一像素、一第二像素以及一第三像素，其中该第二像素与第三像素相邻于该第一像素，该第一像素与第三像素相邻于该第二像素，而该第一像素与第二像素相邻于该第三像素。
本发明所述的互补型金属氧化物半导体影像感测阵列，其特征在于，该第一像素表现出红光、该第二像素表现出绿光，而该第三像素表现出蓝光。
本发明所述影像感测单元及其应用的CMOS影像感测装置与阵列，较已知的影像感测单元具有较高的填充系数、量子效率和微透镜有效区域比例。
附图说明
图1A显示了已知的拜尔图案影像感测单元阵列；
图1B显示了已知的拜尔图案影像感测单元阵列中的微透镜边角圆滑化效应；
图2A显示了依据本发明一实施例的一蜂巢(beehive)型影像感测单元阵列；
图2B显示了依据本发明一实施例的一蜂巢型影像感测单元阵列的电路图；
图3A为一图表，显示了已知拜尔图案影像感测单元与本发明的蜂巢型影像感测单元间的填充系数(fill factor)的比较情形；
图3B为一图表，显示了已知拜尔图案影像感测单元与本发明的蜂巢型影像感测单元间的量子效率(quantum efficiency)的比较情形；
图3C为一图表，显示了已知拜尔图案影像感测单元与本发明的蜂巢型影像感测单元间的微透镜的有效开口率(microlenseffective area ratio)的比较情形。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下：
图2A则显示了依据本发明一实施例的一蜂巢型的影像感测阵列200。图2A显示了依照3×3方式排列的九个影像感测单元。其中如影像感测单元202的一影像感测单元分别包括一完整且设置在一起的三个六角形像素区，借以显现出一真实色彩。红色像素区208设置于影像感测单元的右侧并邻近蓝色像素区204与绿色像素区206。蓝色与绿色像素区204、206则分享了一共通边界线，而绿色与红色像素区206、208分享了一共通边界线，另外红色与蓝色像素区208、204则分享了一共通边界线。红色、绿色与蓝色像素区208、206、204则大体具有相同尺寸，且大体占据了影像感测单元202的整个区域。此影像感测单元阵列200包括了依据特定布局安排的多个影像感测单元。举例来说，邻近第一像素为第二像素与第三像素，邻近第二像素的是第一像素与第三像素，而邻近第三像素的是第一像素与第二像素。
值得注意的是，依据本发明的另一实施例，像素区204、206与208具有一圆形外观且相互接触。本领域技术人员当能理解CMOS影像感测技术即为搭配一多层半导体结构的一像素区，其中该多层半导体结构中可设置有微透镜层、彩色滤光层、感光二极管以及控制元件等。
图2B显示了依据本发明的一实施例的影像感测单元的一电路图210。在此，电路图210包括三个感光二极管212、214与216，其分别针对一既定色彩的一光信号而产生一感测信号。举例来说，感光二极管212可针对一红色光而提供一第一感测信号，而感光二极管214、216则分别针对一绿色光及一蓝色光而提供一第二与一第三感测信号。各感光二极管的阴极是耦接于对应的一MOS转移晶体管(transfer transistor)的一源极，例如应用于对应的像素区的转移晶体管218、220或222。各转移晶体管218、220与222则通过一选择信号控制，该选择信号是施加于上述晶体管的栅极。该转移晶体管通过该选择信号而开启时，其将传输由其对应的感光二极管所产生感测信号。
另外，亦包括一影像放大器，在此大略显示为一重设(reset)晶体管224、一源跟随器(source follower)晶体管228、一列选择(row select)晶体管232与一源极电流230。影像放大器是应用于红、绿、蓝像素区内，以放大来自转移晶体管218、220与222的输出信号。重设晶体管224其漏极是耦合于一操作电压VDD，而其源极是经过节点226而耦接于转移晶体管218、220与222的输出。源跟随器晶体管228的栅极则耦接于节点226，而其漏极则耦接于操作电压VDD，而其源极则透过一列选择晶体管232耦接于源极电流230，并应用于提供上述电路一源极电流230。当源跟随器晶体管228因于节点226施加电压而开启时，且当列选择晶体管232开启时，源极电流230可抵达供应电压VDD。源极电流230可作为此扩大电流的一参考电流。
相较于已知拜尔图案的影像感测单元阵列，前述的蜂巢型影像感测单元阵列具有许多优点。举例来说，由仅设置一红色像素区、一绿色像素区与一蓝色像素区且依照一蜂巢外型排列，故其可达成具有平衡色彩分布的较佳影像。此外，可避免因微透镜边角圆滑化效应的区域损失。此外，由于各彩色像素区是对称地环绕其他彩色像素区，因此串音可依照共同模组噪声型态形成，因而较已知拜尔图案影像感应单元的不同模式串音噪声提供了较佳的色彩纯度。
具有蜂巢型图案影像感测单元亦较已知拜尔图案影像感测单元具有较佳的填充系数(fill factor)。当影像感测单元的尺寸随着新技术演进而继续缩减时，填充系数缩减速率快于影像感测单元的缩减速率。此外，对于前述的影像感测单元与同样尺寸的已知影像感测单元而言，由于前述的影像感测单元仅包括三彩色像素而传统单元包括四个彩色像素，因此前述影像感测单元的各像素区皆大于已知的影像感测单元的像素区。所以，前述影像感测单元较已知的影像感测单元于面对尺寸缩减时，可遭遇较少的填充系数缩减问题。
前述的对于填充系数较为不敏感的优点，使得前述影像感测阵列适用于一CMOS影像感测装置电荷耦合元件感测单元的各像素区通常仅包括一感光二极管以及一晶体管，而CMOS影像感测单元的各像素区则通常包括一感光二极管与多个晶体管。换句话说，随着尺寸持续缩减，CMOS影像感测装置对于填充系数问题为较敏感的。然而，由于填充系数对于CCD装置并不是个大问题，因此具有前述优点的影像单元阵列适用于CMOS影像感测装置。
图3A显示了如图1A所示的已知拜尔图案影像感测单元与图2A所示的蜂巢型影像感测单元的填充系数(fill factor)的一比较图表300。曲线302代表了已知拜尔图案影像感测单元的填充系数的百分比，而曲线304则代表了蜂巢型影像感测单元的填充系数的百分比。曲线302与304显示了已知影像感测单元与采用CMOS技术所制造出的前述影像感测单元于0.1～0.5微米的技术时代的填充系数表现。如图表所示，曲线302、304中的填充系数随着技术时代的缩减而缩减。然而，很明显的可发现于相同的技术时代时，前述影像感测单元较已知的影像感测单元具有较高的填充系数。
图3B显示了如图1A所示的已知拜尔图案影像感测单元与图2A所示的蜂巢型影像感测单元的量子效率(quantum efficiencies)的一比较图表308，量子效率是定义为输出信号(电子)除上输入信号(光子)。曲线310代表了已知拜尔图案影像感测单元的量子效率的百分比，而曲线312则代表了蜂巢型影像感测单元的量子效率的百分比。曲线310与312显示了采用CMOS技术所制造出的已知影像感测单元与前述影像感测单元于0.1～0.5微米的技术时代的量子效率表现。如图表所示，曲线310、312中的量子效率随着技术时代的缩减而缩减。然而，很明显的可发现于相同的技术时代时，前述影像感测单元较已知的影像感测单元具有较高的量子效率。
图3C显示了如图1A所示的已知拜尔图案影像感测单元与图2A所示的蜂巢型影像感测单元的微透镜有效区域比例(micro-lens effective area ratios)的一比较图表314，微透镜有效区域比例是定义为像素内实际区域比上像素区的布局区域。曲线316代表了已知拜尔图案影像感测单元的微透镜有效区域比例，而曲线318则代表了蜂巢型影像感测单元的微透镜有效区域比例。曲线316与318显示了采用CMOS技术所制造出的已知影像感测单元与前述影像感测单元于0.1～0.5微米的技术时代的微透镜有效区域比例。如图表所示，曲线316、318中的量子效率随着技术时代的缩减而缩减。然而，很明显的可发现于相同的技术时代时，前述影像感测单元较已知的影像感测单元具有较高的微透镜有效区域比例。
虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
102：拜尔图案影像感应单元
104、106：绿色像素区
108：红色像素区
110：蓝色像素区
114：四个相邻的微透镜间的区域
200：蜂巢型的影像感测阵列200
202：影像感测单元
204：蓝色像素区
206：绿色像素区
208：红色像素区
210：电路图
212、214、216：感光二极管
218、220、222：转移晶体管
224：重设晶体管
228：源跟随器晶体管
232：选择晶体管
226：节点
230：源极电流

Claims (14)

1.一种影像感测单元，适用于一互补型金属氧化物半导体影像感测装置，其特征在于，所述影像感测单元包括：
一第一像素区，其内设置有至少一第一感光二极管，该第一感光二极管是针对一第一色彩的一光信号而产生一第一感测信号；
一第二像素区，相邻于该第一像素区，其内设置有至少一第二感光二极管，该第二感光二极管是针对一第二色彩的一光信号而产生一第二感测信号；
一第三像素区相邻于该第一像素区与第二像素区，其内设置有至少一第三感光二极管，该第三感光二极管是针对一第三色彩的一光信号而产生一第三感测信号；以及
至少一感测放大器设置于该第一像素区、第二像素区与第三像素区内，以放大该第一感测信号、第二感测信号与第三感测信号，其中该第一像素区、第二像素区、第三像素区占据该影像感测单元的整体区域。
2.根据权利要求1所述的影像感测单元，其特征在于，该第一像素区、第二像素区与第三像素区具有六角形的一外型。
3.根据权利要求2所述的影像感测单元，其特征在于，该第一像素区与第二像素区共用一共通边界线，而该第二像素区与第三像素区共用一共通边界线，而该第三像素区与第一像素区共用一共通边界线。
4.根据权利要求2所述的影像感测单元，其特征在于，该第一色彩为红色，该第二色彩为绿色，而该第三色彩为蓝色。
5.根据权利要求1所述的影像感测单元，其特征在于，更包括一第一晶体管，设置于该第一像素区内并耦接该第一感光二极管，以选择性地传输该第一感测信号；一第二晶体管，设置于该第二像素区内并耦接于该第二感光二极管，以选择性地传输该第二感测信号；以及一第三晶体管，设置于该第三像素区内并耦接于该第三感光二极管，以选择性地传输该第三感测信号。
6.根据权利要求5所述的影像感测单元，其特征在于，该感测放大器包括一源跟随器晶体管，该源跟随器晶体管具有耦接于一操作电压的一漏极与耦接于该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出的一栅极，用以针对该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出而分别传输该操作电压至其源极。
7.根据权利要求6所述的影像感测单元，其特征在于，该感测放大器包括一重设晶体管，该重设晶体管具有耦接于一操作电压的一漏极、耦接于该源跟随器晶体管的栅极与该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出的一源极，以选择地传输该操作电压至该源跟随器晶体管的该栅极；以及一选择晶体管，耦接于该源跟随器晶体管的源极与一源极电流间。
8.根据权利要求1所述的影像感测单元，其特征在于，该第一像素区、第二像素区与第三像素区具有圆形的外型且彼此相接触。
9.一种互补型金属氧化物半导体影像感测装置，其特征在于，具有多个可感应光信号的感测单元的一阵列，其中各影像感测单元包括：
一第一六角形像素区，其内设置有至少一第一感光二极管，该第一感光二极管是针对一第一色彩的一光信号而产生一第一感测信号；
一第二六角形像素区相邻于该第一六角形像素区，其内设置有至少一第二感光二极管，该第二感光二极管是针对一第二色彩的一光信号而产生一第二感测信号；
一第三六角形像素区相邻于该第一六角形像素区与该第二六角形像素区，其内设置有至少一第三感光二极管，该第三感光二极管是针对一第三色彩的一光信号而产生一第三感测信号；以及
至少一感测放大器，设置于该第一六角形像素区、第二六角形像素区与第三六角形像素区内，以放大该第一感测信号、第二感测信号与第三感测信号，其中该第一六角形像素区、第二六角形像素区、第三六角形像素区具有相同的尺寸并占据该影像感测单元的整个区域。
10.根据权利要求9所述的互补型金属氧化物半导体影像感测装置，其特征在于，该第一六角形像素区与第二六角形像素区共用一共通边界线，该第二六角形像素区与第三六角形像素区共用一共通边界线，而该第三六角形像素区与第一六角形像素区共用一共通边界线。
11.根据权利要求9所述的互补型金属氧化物半导体影像感测装置，其特征在于，更包括一第一晶体管，设置于该第一六角形像素区内并耦接于该第一感光二极管，以选择性地传输该第一感测信号；一第二晶体管，设置于该第二六角形像素区内并耦接于该第二感光二极管，以选择性地传输该第二感测信号；以及一第三晶体管，设置于该第三六角形像素区内并耦接于该第三感光二极管，以选择性地传输该第三感测信号。
12.根据权利要求11所述的互补型金属氧化物半导体影像感测装置，其特征在于，该感测放大器包括一源跟随器晶体管，该源跟随器晶体管具有耦接于一操作电压的一漏极以及耦接于该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出的一栅极，以针对该第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管的输出而分别传输该操作电压至其源极。
13.一种互补型金属氧化物半导体影像感测阵列，适用于感应光信号，其特征在于，所述互补型金属氧化物半导体影像感测阵列包括：
多个影像感测单元，各影像感测单元包括一第一像素、一第二像素以及一第三像素，其中该第二像素与第三像素相邻于该第一像素，该第一像素与第三像素相邻于该第二像素，而该第一像素与第二像素相邻于该第三像素。
14.根据权利要求13所述的互补型金属氧化物半导体影像感测阵列，其特征在于，该第一像素表现出红光、该第二像素表现出绿光，而该第三像素表现出蓝光。
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