DE112010004288T5

DE112010004288T5 - Optimierte Lichtleiteranordnung für einen Bildsensor

Info

Publication number: DE112010004288T5
Application number: DE112010004288T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2013-01-03
Also published as: GB2484225B; AU2010316634A1; BR112012010619A2; GB201200090D0; US20110102651A1; US8228408B2; JP2013510424A; MX2012005169A; CN102549750A; SG179551A1; WO2011055344A1; GB2484225A; US20120217377A1

Abstract

Ein Bildsensor verfügt über eine Mehrzahl von Pixeln in einer Pixelanordnung. Jedes Pixel umfasst eine photoelektrische Umwandlungseinheit unter einer Isolationsschicht sowie einen Lichtleiter zur Übertragung von Licht zur photoelektrischen Umwandlungseinheit. In einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die in einer Richtung angeordnet sind, weisen die Lichtleiter einen Abstand zueinander auf, der innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln nicht-monoton variiert. Eine Breite des Lichtleiters und/oder ein horizontaler Pitch zwischen aufeinanderfolgenden Lichtleitern kann innerhalb dieser Gruppe nicht-monoton variieren. Ein Lichtleiter eines Pixels, das Licht nur kleinerer Wellenlängen erkennt, kann schmaler sein als ein Lichtleiter eines anderen Pixels, das Licht größerer Wellenlängen erkennt. An den Lichtleiter kann ein Farbfilter gekoppelt sein. Eine Breite eines Spalts zwischen aufeinanderfolgenden Farbfiltern kann innerhalb dieser Gruppe nicht-monoton variieren. Ein Pitch zwischen den Spalten kann innerhalb dieser Gruppe nicht-monoton variieren.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/258,581, eingereicht am 5. November 2009, und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/259,180, eingereicht am 8. November 2009.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Strukturen und Methoden zur Herstellung von Festkörperbildsensoren.
2. Hintergrundinformationen
Photographische Geräte wie Digitalkameras und digitale Camcorder können elektronische Bildsensoren enthalten, die Licht zur Verarbeitung in Fest- oder Videobilder erfassen. Elektronische Bildsensoren enthalten typischerweise Millionen von photoelektrischen Umwandlungseinheiten wie z. B. Photodioden.
Festkörperbildsensoren treten in zwei Formen auf: als ladungsgekoppelte Bauelemente (charge coupled device, CCD) und als komplementäre Metalloxid-Halbleiter (complimentary metal Oxide semiconductor, CMOS). Bei beiden Bildsensortypen werden photoelektrische Umwandlungseinheiten in einem Substrat gebildet und in einem zweidimensionalen Schema angeordnet. Bildsensoren enthalten meistens Millionen von Pixeln, die jeweils eine photoelektrische Umwandlungseinheit umfassen, um ein hochaufgelöstes Bild liefern zu können. Zur Verbesserung der Effizienz der Lichterfassung verfügen bestimmte Bildsensoren über Lichtleiter (oder Wellenleiter), die das Licht zu den photoelektrischen Umwandlungseinheiten lenken. Die Lichtleiter können ein lichtdurchlässiges Material umfassen, z. B. ein Siliciumnitrid wie Si₃N₄, dessen Brechzahl höher ist als die des umgebenden Isolationsmaterials, z. B. Siliciumoxid, so dass an den Seitenwänden der Lichtleiter Totalreflexion auftritt und verhindert wird, dass Licht austritt. Alternativ können die Lichtleiter eine Metallbeschichtung an den Seitenwänden aufweisen, die die Reflektivität herstellt, und mit einem transparenten Material gefüllt sein, z. B. Siliciumoxid, einem organischen Harz oder Spin-On-Glass (SOG). Ein Pixel kann mehr als einen Lichtleiter umfassen, wobei die einzelnen Lichtleiter übereinander gestapelt sind und somit einen kaskadierten Lichtleiter bilden. Typischwerweise weisen die Lichtleiter in jeder Höhe über dem Substrat einen bestimmten Abstand (Pitch) zueinander auf, und in einer bestimmten Höhe über dem Substrat ist ihr Querschnittsprofil jeweils identisch. Der konstante Abstand sorgt für eine gleichmäßige Abtastung des auf die Bildsensorfläche projizierten Bilds in den Richtungen von links nach rechts und von oben nach unten (parallel zur Ebene der Pixelanordnung), die damit besser der Anordnung von Pixeln in Ausgabemedien wie Computerbildschirmen oder gedruckten Materialien entspricht.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Bildsensor eine Pixelanordnung, die eine Mehrzahl von Pixeln enthält, wobei jedes Pixel umfasst: (a) eine photoelektrische Umwandlungseinheit unter einer Isolationsschicht und unterhalb einer Mehrzahl von Drähten, die ebenfalls in die Isolationsschicht eingebettet sind, und (b) einen Lichtleiter, der in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet ist, um Licht an die photoelektrische Umwandlungseinheit zu übertragen, wobei der horizontale Abstand zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind und der Mehrzahl der Pixel angehören, innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln nicht-monoton variiert. Der Lichtleiter kann einen Farbstoff oder ein Farbpigment enthalten. Bei dem Farbpigment kann es sich um ein organisches, anorganisches oder organometallisches Pigment handeln.
Gemäß dem ersten Aspekt ist es bevorzugt, dass ein horizontaler Pitch (Mitte-Mitte-Abstand) zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln nicht-monoton variiert. Weiter bevorzugt variiert der horizontale Pitch innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln um 0,1 μm oder mehr. Noch weiter bevorzugt variiert der horizontale Pitch innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln um 0,2 μm oder mehr.
Gemäß dem ersten Aspekt kann das Pixel weiterhin einen Farbfilter umfassen, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und die Breite des Spalts innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln nicht-monoton variiert. Bevorzugt variiert die Breite des Spalts innerhalb einer Gruppe von 16 Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, um 0,1 μm oder mehr. Weiter bevorzugt variiert die Spaltbreite innerhalb der Gruppe von 16 Pixeln um 0,2 μm oder mehr.
Gemäß dem ersten Aspekt kann das Pixel weiterhin einen Farbfilter umfassen, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und ein Spaltpitch innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln nicht-monoton variiert. Der Spaltpitch ist dabei der horizontale Abstand (in einer zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten parallelen Ebene) zwischen Paaren aufeinanderfolgender Mittellinien der Spalte. Bevorzugt variiert der Spaltpitch innerhalb einer Gruppe von 16 Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, um 0,1 μm oder mehr. Weiter bevorzugt variiert der Spaltpitch innerhalb der Gruppe von 16 Pixeln um 0,2 μm oder mehr.
Der Spalt kann Luft oder ein Gas enthalten. Alternativ kann der Spalt eine Flüssigkeit oder einen Feststoff mit einer Brechzahl, die wenigstens 20% kleiner als die Brechzahl des Farbfilters ist, enthalten. Weiter bevorzugt weist der Spalt eine Breite von nicht mehr als 0,45 μm zwischen benachbarten Farbfiltern auf. Weiter bevorzugt befindet sich eine konvexe Abdeckung auf dem Spalt. Noch weiter bevorzugt befinden sich das untere Ende des Farbfilters und das obere Ende der konvexen Abdeckung in einem Abstand von wenigstens 0,6 μm.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Bildsensor eine Pixelanordnung, die eine Mehrzahl von Pixeln enthält, wobei jedes Pixel umfasst: (a) eine photoelektrische Umwandlungseinheit unter einer Isolationsschicht und unterhalb einer Mehrzahl von Drähten, die ebenfalls in die Isolationsschicht eingebettet sind, und (b) einen Lichtleiter, der in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet ist, um Licht an die photoelektrische Umwandlungseinheit zu übertragen, wobei der Lichtleiter eine Breite aufweist, die innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixel nicht-monoton variiert. Weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem Pixel der fünf oder mehr Pixel, das für die Erkennung von Licht nur kleinerer Wellenlängen konfiguriert ist, geringer als bei einem anderen Pixel der fünf oder mehr Pixel, das für die Erkennung von Licht größerer Wellenlängen konfiguriert ist. Ebenfalls weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem blauen Pixel geringer als bei einem roten Pixel. Ebenfalls weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem blauen Pixel geringer als bei einem grünen Pixel. Ebenfalls weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem grünen Pixel geringer als bei einem roten Pixel.
In den obigen Ausgestaltungen enthält der Farbfilter bevorzugt ein Farbmittel. Bei dem Farbmittel kann es sich um einen Farbstoff oder ein Farbpigment handeln. Bei dem Pigment kann es sich um ein organisches, anorganisches oder organometallisches Pigment handeln.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erkennung eines Bilds mit Hilfe eines Bildsensors bereitgestellt, das umfasst: (a) Bereitstellen einer Mehrzahl photoelektrischer Umwandlungseinheiten unterhalb einer Isolationsschicht und einer Mehrzahl von Drähten, die in die Isolationsschicht eingebettet sind, und (b) Bereitstellen einer Mehrzahl von Lichtleitern, die in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet sind, um Licht an die photoelektrischen Umwandlungseinheiten zu übertragen, wobei der horizontale Abstand zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind und der Mehrzahl der Pixel angehören, innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln nicht-monoton variiert.
Gemäß dem dritten Aspekt weist der Bildsensor bevorzugt die gemäß dem ersten Aspekt bevorzugten Merkmale auf.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorlegenden Erfindung umfasst ein Bildsensor eine Pixelanordnung, die eine Mehrzahl von Pixeln enthält, wobei jedes Pixel umfasst: (a) eine photoelektrische Umwandlungseinheit unter einer Isolationsschicht und unterhalb einer Mehrzahl von Drähten, die ebenfalls in die Isolationsschicht eingebettet sind, und (b) einen Lichtleiter, der in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet ist, um Licht an die photoelektrische Umwandlungseinheit zu übertragen, wobei der horizontale Abstand zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind und der Mehrzahl der Pixel angehören, innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt. Der Lichtleiter kann einen Farbstoff oder ein Farbpigment enthalten. Bei dem Farbpigment kann es sich um ein organisches, anorganisches oder organometallisches Pigment handeln.
Gemäß dem vierten Aspekt kann das Pixel weiterhin einen Farbfilter umfassen, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und die Breite des Spalts innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt. Bevorzugt variiert die Breite des Spalts innerhalb einer Gruppe von 16 Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, um 0,1 μm oder mehr. Weiter bevorzugt variiert die Spaltbreite innerhalb der Gruppe 16 Pixeln um 0,2 μm oder mehr.
Gemäß dem vierten Aspekt kann das Pixel weiterhin einen Farbfilter umfassen, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und ein Spaltpitch innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt. Der Spaltpitch ist dabei der horizontale Abstand (in einer zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten parallelen Ebene) zwischen Paaren aufeinanderfolgender Mittellinien der Spalte.
Bevorzugt variiert der Spaltpitch innerhalb einer Gruppe von 16 Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, um 0,1 μm oder mehr.
Weiter bevorzugt variiert der Spaltpitch innerhalb der Gruppe von 16 Pixeln um 0,2 μm oder mehr.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Bildsensor eine Pixelanordnung, die eine Mehrzahl von Pixeln enthält, wobei jedes Pixel umfasst: (a) eine photoelektrische Umwandlungseinheit unter einer Isolationsschicht und unterhalb einer Mehrzahl von Drähten, die ebenfalls in die Isolationsschicht eingebettet sind, und (b) einen Lichtleiter, der in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet ist, um Licht an die photoelektrische Umwandlungseinheit zu übertragen, wobei der Lichtleiter eine Breite aufweist, die innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixel abwechselnd zu- und abnimmt. Weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem Pixel der fünf oder mehr Pixel, das für die Erkennung von Licht nur kleinerer Wellenlängen konfiguriert ist, geringer als bei einem anderen Pixel der fünf oder mehr Pixel, das für die Erkennung von Licht größerer Wellenlängen konfiguriert ist. Ebenfalls weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem blauen Pixel geringer als bei einem roten Pixel. Ebenfalls weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem blauen Pixel geringer als bei einem grünen Pixel. Ebenfalls weiter bevorzugt ist die Breite des Lichtleiters bei einem grünen Pixel geringer als bei einem roten Pixel.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erkennung eines Bilds mit Hilfe eines Bildsensors bereitgestellt, das umfasst: (a) Bereitstellen einer Mehrzahl photoelektrischer Umwandlungseinheiten unterhalb einer Isolationsschicht und einer Mehrzahl von Drähten, die in die Isolationsschicht eingebettet sind, und (b) Bereitstellen einer Mehrzahl von Lichtleitern, die in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet sind, um Licht an die photoelektrischen Umwandlungseinheiten zu übertragen, wobei der horizontale Abstand zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind und der Mehrzahl der Pixel angehören, innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt.
Gemäß dem achten Aspekt weist der Bildsensor bevorzugt die gemäß dem vierten Aspekt bevorzugten Merkmale auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
stellt einen Querschnitt von vier Bildsensorpixeln einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
zeigt Lichtstrahlen anhand des gleichen Querschnitts der vier Bildsensorpixel von .
ist eine Draufsicht von fünfzehn Pixeln innerhalb einer Anordnung;
zeigt die gleiche Draufsicht von fünfzehn Pixeln;
stellt einen Querschnitt von vier Bildsensorpixeln einer alternativen Ausführungsform dar;
stellt einen Querschnitt von vier Bildsensorpixeln einer alternativen Ausführungsform dar, die die beste Variante ist;
stellt einen Querschnitt von vier Bildsensorpixeln einer alternativen Ausführungsform dar;
ist eine schematische Darstellung eines Bildsensors;
zeigt Lichtstrahlen für die dritte, in gezeigte Ausführungsform;
stellt die Matrix eines Bayer-Primärfarbenfilters dar;
stellt die um 45 Grad gedrehte Matrix eines Bayer-Primärfarbenfilters dar;
ist ein Schema eines 4T-Pixels;
ist ein Schema eines 3T-Pixels.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beschrieben wird ein Bildsensor, der über eine Pixelanordnung verfügt, die eine Mehrzahl von Pixeln umfasst, zu denen jeweils eine photoelektrische Umwandlungseinheit gehört. Jedes der Pixel besitzt einen Lichtleiter zur Übertragung von Licht zur photoelektrischen Umwandlungseinheit, der in eine Isolationsschicht und zwischen Drähte eingebettet ist, die ebenfalls in die Isolationsschicht eingebettet sind. Der Lichtleiter eines Pixels, das Licht kleinerer Wellenlängen erkennt, kann an seinem unteren Ende eine geringere Breite („untere Breite”) aufweisen als der Lichtleiter eines anderen Pixels, das nur Licht größerer Wellenlängen erkennt. Eine vertikale Mittellinie an einem unteren Ende des Lichtleiters kann einen größeren Abstand zu derjenigen des Lichtleiters eines auf der einen lateralen Seite angrenzenden Pixels haben als zu derjenigen des Lichtleiters eines auf der gegenüberliegenden lateralen Seite angrenzenden Pixels. Ein Abstand zwischen einem unteren Ende des Lichtleiters und dem unteren Ende des Lichtleiters eines auf der einen lateralen Seite angrenzenden Pixels („unterer Abstand”) kann größer sein als derjenige zwischen dem unteren Ende des Lichtleiters und dem unteren Ende des Lichtleiters eines auf der gegenüberliegenden lateralen Seite angrenzenden Pixels. Das Pixel kann einen Farbfilter umfassen, der ein Farbmittel enthält. Zwischen den Farbfiltern jedes Paars von Seite an Seite angeordneten Pixeln der Mehrzahl von Pixeln kann ein Spalt vorhanden sein. Eine Breite des Spalts („Spaltbreite”) eines Paars Seite an Seite angeordneter Pixel kann von der Spaltbreite eines anderen Paars Seite an Seite angeordneter Pixel verschieden sein. Ein Pitch der Spalte („Spaltpitch”) einer Gruppe von drei oder mehr Seite an Seite in einer Richtung angeordneten Pixeln kann um 15% oder weniger variieren. Das Vorhandensein eines oder mehrerer der oben beschriebenen technischen Merkmale in einem Bildsensor und im Besonderen in einem Farbbildsensor ermöglicht höhere Layout-Dichten der Elemente integrierter Schaltkreise (z. B. Gateelektroden, Poly-Kontakte, Drähte und Diffusionskontakte) sowohl unter als auch innerhalb der Isolationsschicht. Die photoelektrische Umwandlungseinheit wird von einem Substrat getragen, bei dem es sich um ein leichtdotiertes Halbleitersubstrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp handeln kann, bevorzugt dem Typ p und weiter bevorzugt mit einer Dotierungskonzentration zwischen 5e14/cm³ und 5e15/cm³. Bei dem Substrat 106 kann es sich um eine p-Epi-Schicht auf einem starkdotierten p-Substrat mit einer Dotierungskonzentration von über 1e19/cm³ handeln. Beispielsweise kann das Substrat 106 aus Silicium, das mit Bor mit einer Konzentration von 5e14/cm³ bis 5e15/cm³ dotiert ist, bestehen, wie zum Beispiel eine konventionelle p-Epi-Schicht auf einem starkdotierten p⁺-Substrat (nicht dargestellt).
Im Folgenden wird mit Hilfe von Bezugsnummern konkreter auf die Zeichnungen Bezug genommen. stellt einen Bildsensor 10 dar, der eine Anordnung 12 von Pixeln 14 umfasst, die über eine Gruppe von Steuersignalen 22 mit einem Zeilendekodierer 20 und über Ausgangssignale 18, die von den Pixeln 14 erzeugt werden, mit einer Lichtleseschaltung 16 verbunden ist. Eine Lichtleseschaltung 16 tastet die Ausgangssignale 18 ab, die von Pixeln 14 erzeugt werden, und kann Substraktions- und Verstärkungsoperationen an den abgetasteten Werten der Ausgangssignale 18 durchführen, um analoge Signale zu erzeugen, die einem Analog-Digital-Umsetzer (Analog-to-Digital-Converter, ADC) 24 bereitgestellt werden. Der ADC 24 wandelt die analogen Signale in digitale Bilddaten um und gibt sie über den ADC-Ausgangsbus 66 aus. Wenn der Bildsensor 10 ein Farbbildsensor ist, enthält die Pixelanordnung 12 eine Farbfilteranordnung, die so in zwei Dimensionen angeordnete Farbfilter umfasst, dass für jedes Pixel 14 ein Farbfilter vorhanden ist.
stellt ein Beispiel einer Farbfilteranordnung dar, die über der Pixelanordnung 12 angebracht sein oder einen Teil dieser bilden kann. zeigt die Matrix eines Bayer-Primärfarbenfilters, der aus einer sich wiederholenden zweidimensionalen Anordnung von Blöcken mit je zwei mal zwei Farbfiltern besteht (ein solcher Block wird durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet), die jeweils eine der Farben Grün (G), Rot (R) oder Blau (B) besitzen. Ein Paar von Grünfiltern befindet sich entlang einer Diagonale der Blöcke mit je zwei mal zwei Filtern. Entlang der anderen Diagonale befinden sich ein Rot- und ein Blaufilter. In dieser Ausführungsform der Farbfilteranordnung sind die Farbfilter Seite an Seite von links nach rechts und von oben nach unten in der Abbildung angeordnet.
zeigt eine alternative Ausführungsform der in gezeigten Farbfilteranordnung. Bei dieser Variante sind die Richtungen, in denen die Farbfilter angeordnet sind, gegenüber gegenüber den Richtungen „von links nach rechts” und „von oben nach unten” sowie gegenüber der Bildabtastungsrichtung „von unten nach oben” (durch den nach oben weisenden Pfeil gekennzeichnet) um 45 Grad gedreht. Die Pixel 14 sind bei einer Ausführungsform des Bildsensors, in der diese Farbfilteranordnung verwendet wird, auf die gleiche Weise angeordnet.
zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Pixels 14 der Pixelanordnung 12. Das Pixel 14 umfasst eine photoelektrische Umwandlungseinheit 102. Diese photoelektrische Umwandlungseinheit 102 kann zum Beispiel eine Photodiode sein. Die photoelektrische Umwandlungseinheit 102 kann über ein Transfergate 117 mit einem Resetschalter 112 verbunden sein. Die photoelektrische Umwandlungseinheit 102 kann auch über einen Ausgangstransistor (d. h. Sourcefolger-Transistor) 116 an einen Auswahlschalter 114 gekoppelt sein. Die Transistoren 112, 114, 116 und 117 können Feldeffekttransistoren (FET) sein. Ein Gate des Transfergates 112 ist an eine TF(n)-Leitung 121 angeschlossen. Ein Gate des Resetschalters 112 ist an eine RST(n)-Leitung 118 angeschlossen. Ein Drain des Resetschalters 112 ist an eine IN-Leitung 120 angeschlossen. Ein Gate des Auswahlschalters 114 ist an eine SEL-Leitung 122 angeschlossen. Eine Source des Auswahlschalters 114 ist an eine OUT-Leitung 124 angeschlossen. Die Leitungen RST(n) 118, SEL(n) 122 und TF(n) 126 können von einer ganzen Zeile von Pixeln der Pixelanordnung 12 gemeinsam genutzt werden. Ebenso können die Leitungen IN 120 und OUT 124 von einer ganzen Spalte von Pixeln der Pixelanordnung 12 gemeinsam genutzt werden. Die Leitungen RST(n) 118, SEL(n) 122 und TF(n) 121 sind an den Zeilendekodierer 20 angeschlossen und Teil der Steuerleitungen 22. Die OUT(m)-Leitung 124 ist an die Lichtleseschaltung 16 angeschlossen und ein Teil der vertikalen Signalleitungen 18.
zeigt eine Ausführungsform von vier benachbarten Pixeln 14, die in einer Richtung Seite an Seite in einer Pixelanordnung 12 eines Farbbildsensors 10 auf einem Substrat 106 angeordnet sind. Jedes der gezeigten Pixel 14 verfügt über eine photoelektrische Umwandlungseinheit 102a oder 102b, die Lichtenergie in elektrische Ladungen umwandelt. Bei einer Pixelanordnung 12 mit 4T-Pixelarchitektur (wie in gezeigt) oder einer Variante davon (z. B. mit gemeinsamer Nutzung von Resetschalter 112, Auswahlschalter 114 und Ausgangstransistor 116 durch mehrere Paare von Photodiode 102 und Transferschalter 117) können die Gateelektroden 104a, 104b jeweils die Gateelektrode eines anderen Transferschalters 117 zur Übertragung der Ladungen sein. Alternativ können die Gateelektroden 104a, 104b bei einer Pixelanordnung 12 mit 3T-Pixelarchitektur (wie in gezeigt) die Gateelektroden verschiedener Resetschalter 112 zum Zurücksetzen der photoelektrischen Umwandlungseinheiten 102a bzw. 102b sein. Die Gateelektrode 104c kann eine Gateelektrode eines Transistors sein, der eine andere Funtkion innerhalb der Pixelanordnung 12 ausübt, wie z. B. die eines Resetschalters 112, Auswahlschalters 114 oder Ausgangstransistors 116. Die Gateelektroden 104a, 104b, 104c und Umwandlungseinheiten 102a, 102b werden auf oder im Substrat 106 ausgebildet. Die Gateelektroden 104a, 104b, 104c, die photoelektrischen Umwandlungseinheiten 102a, 102b und das Substrat 106 können von einer Schutzschicht 230 bedeckt sein, die ein Siliciumnitrid enthält und eine Dicke zwischen 200 und 1000 Angström aufweist. Die Schutzschicht 230 isoliert das Substrat 106 von metallischen Ionen und Feuchtigkeit. Eine Lage der Isolationsschicht 110 bedeckt das Substrat 106. In die Isolationsschicht 110 und über den Gateelektroden 104a, 104b, 104C sind Drähte eingebettet. Die Drähte 108 können leitfähige Verbindungsdrähte sein, die Aluminium oder Kupfer enthalten. Andere Verbindungsdrähte (nicht dargestellt) können auf anderen Verdrahtungsebenen gebildet werden, wobei jede Ebene mehrere miteinander verbundene Drähte (die metallisch sein können) umfasst und sich in einer jeweils anderen Höhe über den Gateelektroden 104a, 104b, 104C befindet als die Drähte 108. Ein Draht 108 kann über einen leitfähigen (z. B. metallischen) Durchkontakt mit einem Verbindungsdraht auf einer benachbarten Verdrahtungsebene in einer anderen Höhe verbunden sein.
Die photoelektrischen Umwandlungseinheiten 102a, 102b können mit unteren Lichtleitern 316a bzw. 316b gepaart sein, die in die Isolationsschicht 110 und zwischen den Drähten 108 eingebettet sind. Die unteren Lichtleiter 316a, 316b können ein lichtdurchlässiges Material umfassen, z. B. ein Siliciumnitrid wie Si₃N₄, dessen Brechzahl höher ist als die der Isolationsschicht 110 (die das umgebende Material darstellt), z. B. ein Siliciumoxid, so dass durch Ausnutzung von Totalreflexion an der Grenzfläche des Lichtleiters zum umgebenden Material verhindert wird, dass Licht austritt. Alternativ können die unteren Lichtleiter mit einem lichtdurchlässigen Material wie z. B. Spin-On-Glass (SOG) oder einem lichtdurchlässigen Harz eines organischen Materials gefüllt sein, oder sogar ein Farbmittel enthalten (z. B. ein organisches, anorganisches oder organometallisches Pigment) und eine reflektierende Metallbeschichtung an ihren Seitenwänden aufweisen („Typ reflektierende Metallbeschichtung”), um Licht nach innen zu reflektieren, so dass verhindert wird, dass es die unteren Lichtleiter verlässt.
Die oberen Lichtleiter 130 können sich über den unteren Lichtleitern 316a, 316b befinden und können entweder das gleiche Material/die gleichen Materialien wie die unteren Lichtleiter 316a, 316b enthalten oder andere. Der obere Lichtleiter 130 und der untere Lichtleiter 316a, 316b können beide vom Typ Totalreflektion oder beide vom Typ reflektierende Metallbeschichtung sein. Alternativ kann einer der beiden vom einen Typ und der andere vom anderen Typ sein. Ein oberes Ende des oberen Lichtleiters 130 ist breiter als ein unteres Ende, wo die oberen Lichtleiter 130 auf die unteren Lichtleiter 316a, 316b treffen.
Die Farbfilter 114a, 114b befinden sich über den oberen Lichtleitern 130. Der Farbfilter 114a, 114b kann jeweils ein anderes Farbmittel enthalten, z. B. einen Farbstoff oder ein organisches, anorganisches oder organometallisches Pigment. Der Farbfilter kann ein Harz enthalten, in dem der Farbstoff gelöst oder das organische, anorganische oder organometallische Pigment suspendiert ist, wobei das Harz organisch sein oder ein Polymer umfassen kann, das über wenigstens eine organische Gruppe verfügt wie z. B. eine Methyl-, Ethyl- oder Phenylgruppe (ein Beispiel hierfür is Silicon). Alternativ kann der Farbfilter ein lichtdurchlässiges anorganisches Material enthalten (z. B. Siliciumnitrid), in dem Teilchen (z. B. ein anorganisches Farbpigment wie Eisenoxid, ein Kobalt-, Mangan-, Zink- oder Kupferpigment, oder ein organometallisches Pigment oder ein komplexes anorganisches Farbpigment) dispergiert sind. Die Farbfilter 114a, 114b besitzen in weißem Licht unterschiedliche Farben. Bevorzugt besitzt jeder eine maximale Durchlässigkeit von mindestens 50% und eine minimale Durchlässigkeit von höchstens 10% bei Wellenlängen (in Luft) zwischen 400 nm und 700 nm. Alternativ muss das Verhältnis von maximaler Durchlässigkeit zu minimaler Durchlässigkeit mindestens 4-zu-1 sein.
Wie in gezeigt, befinden sich zwischen benachbarten Farbfiltern 114a, 114b Spalte. Die Spalte 422a, 422b zwischen den Farbfiltern 114a, 114b haben eine Breite von 0,45 μm oder weniger. Die Spalte 422a, 422b können mit Luft oder einem Gas gefüllt sein. Die Spalte 422a, 422b können eine Tiefe von 0,6 μm oder mehr zwischen benachbarten Filtern aufweisen. Der Spalt mit den oben angegebenen maximalen Abmessungen bewirkt, dass Licht innerhalb des Spalts in die angrenzenden Farbfilter abgelenkt und anschließend von dem/den Lichtleiter/n zu den photoelektrischen Umwandlungseinheiten 102a bzw. 102b geleitet wird. Der prozentuelle Verlust des auf das Pixel auftreffenden Lichts aufgrund der Durchquerung des Spalts und des Eindringens in das Material unterhalb des Spalts 422a, 422b (nachfolgend „Pixelverlust”) wird deutlich reduziert.
Der Farbfilter 114a (oder 114b) und der obere 130 und untere 316a (oder 316b) Lichtleiter stellen zusammen einen „kaskadierten Lichtleiter” dar, der Licht unter Ausnutzung der Totalreflexion an den Grenzflächen zu den umgebenden Medien wie dem Isolator 110 zur photoelektrischen Umwandlungseinheit 102a (oder 102b) leitet. (Alternativ können der obere, der untere oder beide Lichtleiter Seitenwände aus Metall aufweisen, die das Licht nach innen reflektieren.) In , einem Lichtstrahlendiagramm, werden die Lichtstrahlen a, b, e und f an den Seitenwänden der Farbfilter und/oder der oberen und unteren Lichtleiter reflektiert. Die Strahlen c und d, die in den breiteren Spalt zwischen der Farbfiltern des zweiten und dritten Pixels fallen, werden in die Farbfilter des zweiten bzw. dritten Pixels abgelenkt und erreichen die entsprechenden photoelektrischen Umwandlungseinheiten.
zeigt eine alternative Ausführungsform des Bildsensors 10, bei der die Spalte 422a, 422b zwischen benachbarten Farbfiltern von einer transparenten Schicht 500 bedeckt werden und eine Trägerschicht 134 den Zwischenraum zwischen benachbarten oberen Lichtleitern 134 füllt. Die Trägerschicht 134 muss eine geringere Brechzahl als der obere Lichtleiter 130 haben, wenn der obere Lichtleiter 130 vom Typ Totalreflexion ist. Eine Abdeckung 510 des Spalts 422a, 422b kann bezogen auf die transparente Schicht 500 konkav sein (d. h. konvex bezogen auf den Spalt), z. B. kuppelförmig. Der Spalt 422a, 422b kann Luft oder ein Gas enthalten. Licht, das die konvexe Abdeckung durchquert und von oben in den Spalt eintritt, wird zu den angrenzenden Farbfiltern abgelenkt.
zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Ausführungsform von weiter modifiziert wurde, so dass die Farbfilter 114a, 114b über nach innen geneigte Seitenwände verfügen und die Trägerschicht 134 die Seitenwände der Farbfilter berührt. Wie bei der zweiten Ausführungsform wird der Spalt zwischen aufeinanderfolgenden Farbfiltern der vier Pixel von links nach rechts zunächst breiter, dann schmaler und schließlich wieder breiter. Obwohl der Spalt je nach der Höhenposition innerhalb des Spalts eine unterschiedliche Breite aufweist, reicht es zum Vergleich breiterer 422b' und schmalerer Spalte 422a' aus, die Spaltbreite auf Höhe einer horizontalen Ebene zu messen (d. h. einer, die parallel zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten ist), die die Farbfilter und die Spalte dazwischen schneidet, wie in gezeigt. Analog reicht es zum Vergleich eines größeren Pitchs zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Spalte und eines kleineren Pitchs zwischen einem anderen Paar aufeinanderfolgender Spalte aus, auf der gleichen horizontalen Ebene zu messen. ist ein Lichtstrahlendiagramm, das den Verlauf eines Lichtstrahls zeigt, der in den Spalt zwischen zwei Farbfiltern 114a, 114b eintritt. Die Konvexität der Abdeckung sorgt dafür, dass der Lichtstrahl zu einem der Farbfilter abgelenkt wird. Eine Höhe von einem unteren Ende des Farbfilters zu einem oberen Ende einer angrenzenden Abdeckung beträgt 0,6 μm oder mehr. Damit ist die Tiefe ausreichend, um Licht, das über die Abdeckung in den Spalt eintritt (unter der Abdeckung und seitlich neben dem Farbfilter), zu den angrenzenden Farbfiltern abzulenken. Beispielsweise ist die Höhe gemessen vom unteren Ende des ersten Farbfilters 114a (von links) bis zum oberen Ende der Abdeckung 510a zwischen dem ersten 114a und zweiten 114b Farbfilter mit H_a gekennzeichnet. Entsprechend ist die Höhe gemessen vom unteren Ende des zweiten Farbfilters 114b (von links) bis zum oberen Ende der Abdeckung 510b zwischen dem zweiten 114b und dritten 114a Farbfilter mit H_b gekennzeichnet.
zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der auf den oberen Lichtleiter 130 verzichtet wird und stattdessen Mikrolinsen 318 über den unteren Lichtleitern 316a, 316b angebracht sind, wobei sich eine transparente Planarisierungsschicht 320 zwischen den Mikrolinsen 318 und den Lichtleitern 316a, 316b befindet. Die Mirkolinsen 318 lenken Licht in die oberen Öffnungen der Lichtleiter 316a, 316b, die das Licht wiederum nach unten zu den entsprechenden photoelektrischen Umwandlungseinheiten 102a, 102b weiterleiten.
Bei einem Farbbildsensor können die Lichtleiter 316a, 316b Farbmittel wie Farbstoffe oder organische, anorganische oder organometallische Pigmente enthalten, damit die Lichtleiter 316a, 361b verschiedene Farben entsprechend den Farben der Farbmatrix der Pixelanordnung 12, z. B. der Bayer-Matrix, annehmen.
Alternativ können die Spalte 422a, 422b bei den in den , , und gezeigten Ausführungsformen ein transparentes (flüssiges oder festes) Medium enthalten, sofern dieses transparente Medium über eine mindestens 20% niedrigere Brechzahl verfügt als die Farbfilter. Beispielsweise kann das transparente Medium ein Harz mit einer Brechzahl zwischen 1,4 und 1,5 sein, während die Farbfilter Siliciumnitrid-Teilchen in einer so angepassten Dichte enthalten, dass die Brechzahl mindestens 1,7 beträgt.
Ein Lichtleiter zur Übertragung von Licht nur kleinerer Wellenlängen, der in die Isolationsschicht 110 und zwischen den Drähten 108 eingebettet ist, kann an seinem unteren Ende eine geringere Breite („untere Breite”) aufweisen als ein anderer Lichtleiter zur Übertragung von Licht größerer Wellenlängen, unabhängig davon, ob durch Totalreflexion oder eine Metallbeschichtung an den Seitenwänden des Lichtleiters verhindert wird, dass Licht austritt. Gemäß können die Farbfilter 114a Blaufilter sein, die eine höhere Durchlässigkeit für Wellenlängen in Luft zwischen 400 nm und 500 nm aufweisen als für andere Wellenlängen (weswegen die zugehörigen Pixel blaue Pixel sind), und die Farbfilter 114b können Grünfilter sein, die eine höhere Durchlässigkeit für Wellenlängen in Luft zwischen 500 nm und 600 nm aufweisen als für andere Wellenlängen (weswegen die zugehörigen Pixel grüne Pixel sind). Entsprechend besitzen die unteren Lichtleiter 316a (für blaue Pixel), die blaues Licht übertragen, eine kleinere untere Breite W_a an ihrem unteren Ende 318a als die untere Breite W_b eines unteren Endes 318b der unteren Lichtleiter 316b (für die grünen Pixel), die nur grünes Licht übertragen (W_a < W_b). Allgemein sind die unteren Lichtleiter 316a schmaler als die unteren Lichtleiter 316b. Alternativ können die in gezeigten Farbfilter 114b Rotfilter sein, die eine höhere Durchlässigkeit für Wellenlängen in Luft zwischen 600 nm und 700 nm aufweisen als für andere Wellenlängen (weswegen ihre Pixel rote Pixel sind). Alternativ können die Farbfilter 114a Grünfilter sein und die Farbfilter 114b Rotfilter.
zeigt außerdem, dass die untere Breite bei Seite an Seite in einer Richtung angeordneten Pixeln nicht-monoton variiert. In folgen von links nach rechts die unteren Breiten W_a, W_b, W_a, W_b aufeinander, wobei W_a < W_b, so dass sich die Variationssequenz {Zunahme, Abnahme, Zunahme} ergibt. In einer alternativen Ausführungsform ist eine andere nicht-monotone Variationssequenz der unteren Breite möglich, d. h. auf eine Zunahme der unteren Breite folgt eine Abnahme und anschließend eine weitere Zunahme, und/oder auf eine Abnahme folgt eine Zunahme und anschließend eine weitere Abnahme. Insbesondere kann die Variationssequenz eine nicht-monotone Sequenz sein, die sich wiederholt. Beispielsweise kann die Variation der unteren Breite einem sich wiederholenden Schema {Zunahme, keine Änderung, Abnahme, Zunahme, Abnahme} folgen.
In kann es sich bei dem Farbfilter 114a um einen Blaufilter handeln und ein unterer Lichtleiter 316a kann an seinem unteren Ende eine untere Breite W_a aufweisen. Weiter rechts in kann es sich bei dem Farbfilter 114b um einen Grünfilter handeln und ein unterer Lichtleiter 316b kann an seinem unteren Ende eine untere Breite W_b aufweisen, wobei die untere Breite W_b größer ist als die untere Breite W_a (W_a < W_b). Bei einem unteren Lichtleiter zur Übertragung von Licht von Wellenlängen bis 500 nm, der in die Isolationsschicht 110 eingebettet ist, liegt die untere Breite bevorzugt zwischen 0,2 μm und 0,35 μm und weiter bevorzugt im Bereich 0,27 μm +/–10%. Bei einem unteren Lichtleiter zur Übertragung von Licht von Wellenlängen bis 600 μm liegt die untere Breite bevorzugt zwischen 0,25 μm und 0,4 μm und weiter bevorzugt im Bereich 0,33 μm +/–10%. Bei einem unteren Lichtleiter zur Übertragung von Licht von Wellenlängen bis 700 μm liegt die untere Breite bevorzugt zwischen 0,3 μm und 0,5 μm und weiter bevorzugt im Bereich 0,4 μm +/–10%. Eine geringere Breite am unteren Ende ermöglicht höhere Packungsdichten der Elemente integrierter Schaltungen (z. B. Gateelektroden 104a, 104b und 104c, Polysiliciumkontakte und Diffusionskontakte) unter dem Isolator 110.
Bei den Spalten 422a, 422b kann die Spaltbreite zwischen den Farbfiltern Seite an Seite angeordneter Pixel („Spaltbreite”) nicht-monoton variieren. Bei einem ersten, zweiten und dritten Pixel, die in einer Richtung und in dieser Reihenfolge Seite an Seite angeordnet sind, kann der Spalt zwischen dem ersten und zweiten Pixel breiter sein als zwischen dem zweiten und dritten Pixel. zeigt beispielsweise zwei verschiedene Spaltbreiten V_a, V_b zwischen vier benachbarten Pixeln, die Seite an Seite in einer bestimmten Richtung angeordnet sind.
Ein Abstand P („Spaltpitch”) zwischen den Mittellinien aufeinanderfolgender Spalte 422a, 422b kann für fünf oder mehr Pixel, die Seite an Seite in einer bestimmten Richtung angeordnet sind, im Wesentlichen konstant gehalten werden (d. h. die Abweichung vom Maximalwert beträgt nicht mehr als 5%), während die Spaltbreite nicht-monoton variiert.
Alternativ kann zugelassen werden, dass der Spaltpitch P innerhalb einer Gruppe einer vorgegebenen Anzahl von Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, eine nicht-monotone Variation aufweist, wobei die Differenz von Maximum und Minimum höchstens 20% des Maximalwerts beträgt. Diese vorgegebene Anzahl kann eine Zahl kleiner als 16 und weiter bevorzugt von nicht größer als 8 sein. Insbesondere kann der Spaltpitch P bei in einer Richtung angeordneten Pixeln abwechselnd zu- und abnehmen. Der Spaltpitch P kann bei einem durchschnittlichen Pixelpitch von 1 μm um 0,1 μm variieren und weiter bevorzugt um 0,2 μm. Indem man den Spaltpitch P in Verbindung mit dem unteren Abstand (oder allgemeiner einem horizontalen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden unteren Lichtleitern) nicht-monoton variieren lässt, ergibt sich bei den unteren Lichtleitern größerer Spielraum zur optimalen Platzierung, während gleichzeitig eine gute Lichterfassung erhalten bleibt. Auf diese Weise kann ein unterer Lichtleiter auf eine Seite verschoben sein, so dass der Abstand auf dieser Seite geringer ist, während der Abstand auf der gegenüberliegenden Seite groß genug ist, um ein zusätzliches Element einer integrierten Schaltung wie z. B. eine Gateelektrode oder einen Diffusionskontakt aufzunehmen, so dass eine dichtere Pixelanordnung ermöglicht wird.
Ein Abstand zwischen vertikalen Mittellinien aufeinanderfolgender unterer Lichtleiter („unterer Pitch”) in einem vertikalen Querschnitt in einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer bestimmten Richtung angeordnet sind, kann eine nicht-monotone Variation aufweisen. zeigt beispielsweise zwei verschiedene Abstände X_a, X_b zwischen vertikalen Mittellinien (in als gestrichelte vertikale Linien dargestellt) der drei unteren Lichtleiter 316a, 316b auf der linken Seite. Der größere untere Pitch X_b ist unter dem größeren Spalt 422b mit der Spaltbreite v_b und der kleinere untere Pitch X_a ist unter dem kleineren ersten Spalt 422a mit der Spaltbreite v_a. Der größere untere Pitch X_b begünstigt die Aufnahme von mehr Elementen integrierter Schaltkreise unter der Isolationschicht 110 als der kleinere untere Pitch X_a.
Wie zeigt, ist der untere Abstand S_a zwischen dem ersten Pixel (von links) und dem zweiten Pixel gleich dem unteren Abstand S_a zwischen dem dritten Pixel und dem vierten Pixel, und kleiner als der untere Abstand S_b zwischen dem zweiten und dem dritten Pixel. Der größere untere Abstand S_b zwischen dem zweiten und dritten Pixel bietet mehr Platz für Elemente intergrierter Schaltkreise unter dem Isolator oder oberhalb und angrenzend an das Substrat 106, wobei zu solchen Elementen Gateelektroden (wie die in gezeigten Gateelektroden 104b, 104c), Polysiliciumkontakte (nicht dargestellt), Diffusionskontakte (nicht dargestellt) und Drähte gehören können. Bei einer konventionellen Pixelanordnung mit gleichbleibendem Abstand zwischen den Lichtleitern müssten alle Abstände S_b entsprechen, obwohl ein solcher größerer Abstand weder zwischen dem ersten und zweiten Pixel noch zwischen dem dritten und vierten Pixel benötigt wird, so dass sich das Problem einer nicht optimalen Pixeldichte ergibt.
ist eine Draufsicht der Pixelanordnung 12, die fünfzehn Pixel 14 in drei Zeilen und fünf Spalten der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform der Pixelanordnung 12 zeigt, wobei die Pixel Seite an Seite in den Richtungen von links nach rechts und von oben nach unten angeordnet sind. Die Mittellinien der Spalte sind als dicke graue Linien zwischen jedem Paar Seite an Seite angeordneter Pixel dargestellt. Die Fläche B stellt die Fläche der Oberseite des oberen Lichtleiters 130 dar und die Fläche C die Fläche der Unterseite des unteren Lichtleiters 316a, 316b. Fläche A minus Fläche B ist die Fläche des Spalts 422a, 422b zwischen den Farbfiltern, wobei A der Fläche eines Pixels entspricht. zeigt vier verschiedene Paare von Flächen B und C: B₁ und C₁, B₂ und C₂, B₃ und C₃ sowie B₄ und C₄. Diese vier unterschiedlichen Paare wiederholen sich nach einem regelmäßigen Schema.
kann als vertikaler Querschnitt des ersten bis vierten Pixels von links in der mittleren Zeile von verstanden werden. In diesem Kontext gilt v_a = t₃, v_b = t₄, S_a = s₃ und S_b = s₄.
Wie zeigt, weisen die Spalte zwischen den Farbfiltern Seite an Seite angeordneter Pixel die Breiten t₁, t₂, t₃, t₄, u₁, u₂, u₃ und u₄ auf, die sich wiederholen. Entlang jedem Querschnitt von links nach rechts oder oben nach unten in wechseln sich die Spaltbreiten t₁ bis t₄ bzw. u₁ bis u₄ untereinander ab, während der Pitch P von der Mittellinie eines ersten Spalts zur Mittellinie des nächsten ersten Spalts konstant bleibt. Die Spaltbreite variiert bei mehreren Pixeln, die Seite an Seite in einer zum Spalt senkrechten Richtung angeordnet sind, also in von links nach rechts (oder von rechts nach links) im Falle von Spalten auf der linken oder rechten Seite (bezogen auf die Draufsicht der Pixelanordnung von ) eines Pixels oder von oben nach unten (oder von unten nach oben) im Falle von Spalten über oder unter (wieder bezogen auf die Draufsicht der Pixelanordnung von ) einem Pixel. Die Variation ist nicht-monoton, d. h. auf eine Zunahme folgt eine Abnahme und anschließend eine weitere Zunahme, und/oder auf eine Abnahme folgt eine Zunahme und anschließend eine weitere Abnahme. Beispielsweise variiert die Spaltbreite in der oberen Zeile von links nach rechts gemäß der Abfolge t₂, t₁, t₂, t₁, wobei t₂ < t₁, was einer Variationssequenz nach dem Schema {Zunahme, Abnahme, Zunahme} entspricht; in der mittleren Zeile gemäß der Abfolge t₃, t₄, t₃, t₄, wobei t₃ < t₄, was einer Variationssequenz nach dem Schema {Zunahme, Abnahme, Zunahme} entspricht; und in der unteren Zeile gemäß der gleichen Abfolge wie in der oberen Zeile. Konkreter ist die Spaltbreite bei Seite an Seite in einer Richtung angeordneten Pixeln abwechselnd breiter und schmaler. Obwohl beide diese Spaltbreiten-Sequenzen eine zwischen Zunahme und Abnahme wechselnde Variation der Spaltbreite aufweisen, ist in anderen Ausführungsformen eine andere Variationssequenz der Spaltbreite möglich, solange sie nicht-monoton ist. Insbesondere kann die Variationssequenz eine nicht-monotone Sequenz sein, die sich wiederholt. Beispielsweise kann die Variation der Spaltbreite einem sich wiederholenden Schema {Zunahme, keine Änderung, Abnahme, Zunahme, Abnahme} folgen.
zeigt außerdem, dass analog der untere Abstand bei in einer Richtung Seite an Seite angeordneten Pixeln nicht-monoton variieren kann. Zum Beispiel wechseln die unteren Abstände in der mittleren Zeile von links nach rechts zwischen s₃ und s₄, wobei s₃ < s₄, so dass sich die Variationssequenz {Zunahme, Abnahme, Zunahme} ergibt. Konkreter ist der untere Abstand bei Seite an Seite in einer Richtung angeordneten Pixeln abwechselnd breiter und schmaler. Bei konventionellen Lichtleiter verwendenden Bildsensorpixelanordnungen werden die Lichtleiter gleichmäßig beabstandet, so dass der geringe Platz zwischen Lichtleitern, der zur Aufnahme eines Elements integrierter Schaltkreise wie einer Gateleektrode nicht ausreicht, nicht genutzt werden kann. Der in gezeigten Ausführungsform gelingt es, die beiden Lichtleiter links in der zweiten Zeile und auch die beiden nächsten Lichtleiter der zweiten Zeile näher zusammenzubringen, um mehr Platz in der Mitte (d. h. zwischen dem zweiten und dritten Lichtleiter) zu schaffen, so dass eine zusätzliche Gateelektrode 104c untergebracht werden kann. Bei einer konventiellen Pixelanordnung mit gleichbleibendem Abstand zwischen den Lichtleitern müssten alle Abstände größer sein, obwohl der größere Abstand nur zwischen bestimmten Paaren seitlich aufeinanderfolgender Lichtleiter benötigt wird. In einer alternativen Ausführungsform ist eine beliebige Variationssequenz des unteren Abstands möglich, solange diese Sequenz nicht-monoton ist, d. h. auf eine Zunahme des unteren Abstands folgt eine Abnahme und anschließend eine weitere Zunahme, und/oder auf eine Abnahme folgt eine Zunahme und anschließend eine weitere Abnahme. Insbesondere kann die Variationssequenz eine nicht-monotone Sequenz sein, die sich wiederholt. Beispielsweise kann die Variation des unteren Abstands einem sich wiederholenden Schema {Zunahme, Zunahme, Abnahme, Zunahme, Abnahme} folgen.
zeigt auch, dass die untere Breite in der zweiten Zeile von links nach rechts nicht-monoton gemäß der Sequenz W_a, W_b, W_a, W_b, W_a variiert, wobei W_a < W_b, so dass sich das Variationsschema {Zunahme, Abnahme, Zunahme, Abnahme} ergibt, welches nicht-monoton ist. Insbesondere ist zu sehen, dass bei den vier Pixeln, die den oberen beiden Zeilen und linken beiden Spalten angehören, die untere Breite bei der unteren Fläche C₃ am kleinsten ist, bei der unteren Fläche C₁ am größten ist und bei den unteren Flächen C₂ und C₄ dazwischen liegt. In einer Ausführungsform, wo die Farbfilter über der Pixelanordnung 12 der Matrix eines Bayer-Primärfarbenfilters entsprechen, können die Pixel mit den unteren Flächen C₂ und C₄ die grünen Pixel sein, das Pixel mit der unteren Fläche C₁ das rote Pixel und das Pixel mit der unteren Fläche C₃ das blaue Pixel. In einer Richtung, in der aufeinanderfolgende Pixel zwischen zwei verschiedenen Farben wechseln, sollte auch die Breite der unteren Leichtleiter in ähnlicher Weise wechseln, so dass die unteren Lichtleiter und ihre Abstände die optimale Größe zum Leiten des Lichts, das erfasst werden soll, aufweisen und gleichzeitig den Platz für Elemente intergrierter Schaltungen optimieren. In diesem Beispiel also, wo die unteren Flächen C₃ blauen Pixeln und die unteren Flächen C₄ grünen Pixeln entsprechen, wird die Breite der Lichtleiter in der zweiten Zeile, wo in der Richtung von links nach rechts aufeinanderfolgende Pixel abwechselnd blaue und grüne Pixel sind, entsprechend optimiert, indem sich geringere Breiten (bei blauen Pixeln) und größere Breiten (bei grünen Pixeln) abwechseln, so dass Platz zwischen den Lichtleitern eingespart wird, der zum Unterbringen von Elementen integrierter Schaltungen wie Gateelektroden und Kontakten genutzt werden kann. Analog ist die Breite der Lichtleiter in der ersten Zeile, wo sich grüne und rote Pixel abwechseln, abwechselnd kleiner (bei grünen Pixeln) und größer (bei roten Pixeln).
Allgemeiner können die Breiten der in die Isolationsschicht 110 eingebetteten Lichtleiter und die horizontalen Abstände zwischen Paaren aufeinanderfolger solcher Lichtleiter zum Zweck des Vergleichs dieser Breiten und horizontalen Abstände auf einer horizontalen Ebene (d. h. einer zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten parallelen Ebene) zwischen der Gateelektrode 104a, 104b und den Drähten 108 gemessen werden. Innerhalb dieses Höhenbereichs ist der horizontale Abstand (und folglich die Breite) von Bedeutung, weil er sich darauf auswirkt, wie dicht die Elemente integrierter Schaltkreise wie z. B. Gateelektroden, Polysilicium-Verbindungsdrähte (nicht dargestellt), Polysilicium-Kontakte (nicht dargestellt), Diffusionskontakte (nicht dargestellt) und Metalldrähte, in und/oder unter der Isolationsschicht 110 gepackt werden können. Dieser horizontale Abstand sollte in einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, nicht-monoton variiert werden, wie in gezeigt, damit ein Lichtleiter auf eine Seite verschoben werden kann und einen kleinen Platz besetzt, der nicht ausreichen würde, um ein Element integrierter Schaltkreise aufzunehmen, so dass auf der anderen Seite mehr Platz entsteht, der dann groß genug ist, um ein Element integrierter Schaltungen aufzunehmen. Bevorzugt zeigt sich diese Nichtmonotonie in einer Gruppe von 8 oder weniger Pixeln, die in einer Richtung Seite an Seite angeordnet sind. Weiter bevorzugt weist diese Nichtmonotonie eine Differenz von 0,1 μm oder mehr zwischen dem breitesten und dem schmalsten horizontalen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtleitern der acht oder weniger Pixel auf. Noch weiter bevorzugt beträgt die Differenz 0,2 μm oder mehr. Eine möglichst kleine (die Übertragung des Lichts jedoch nicht beeinträchtigende) Breite des Lichtleiters trägt zu einer Vergrößerung des horizontalen Abstands bei, was eine dichtere Packung der Elemente integrierter Schaltkreise in und unter der Isolationsschicht 110 sowie eine dichtere Packung der Pixel in der Pixelanordnung 12 begünstigt. Bevorzugt variiert diese Breite nicht-monoton in einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die in einer Richtung Seite an Seite angeordnet sind, wie in gezeigt, um den Umstand auszunutzen, dass diese Breite bei Lichtleitern, die Licht nur kleinerer Wellenlängen übertragen, geringer sein kann als bei Lichtleitern, die Licht größerer Wellenlängen übertragen. Bei einem Lichtleiter zur Übertragung von Licht von Wellenlängen in Luft bis 500 nm, der in die Isolationsschicht 110 eingebettet ist, liegt diese Breite bevorzugt zwischen 0,2 μm und 0,35 μm und weiter bevorzugt im Bereich 0,27 μm +/–10%. Bei einem Lichtleiter zur Übertragung von Licht von Wellenlängen in Luft bis 600 μm liegt diese Breite bevorzugt zwischen 0,25 μm und 0,4 μm und weiter bevorzugt im Bereich 0,33 μm +/–10%. Bei einem Lichtleiter zur Übertragung von Licht von Wellenlängen in Luft bis 700 μm liegt diese Breite bevorzugt zwischen 0,3 μm und 0,5 μm und weiter bevorzugt im Bereich 0,4 μm +/–10%.
Die nicht-monotone Variation des horizontalen Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Lichtleitern auf einer horizontalen Ebene (d. h. einer zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten parallelen Ebene) zwischen einem Draht 108 und einer Gateelektrode 104a, einschließlich/insbesondere des unteren Abstands, und/oder eines horizontalen Pitchs zwischen Lichtleitern in einer Höhe zwischen einem Draht 108 und einer Gateelektrode 104a, einschließlich/insbesondere des unteren Pitchs, ermöglicht die Verschiebung eines Lichtleiters auf eine Seite, so dass ein kleiner Platz besetzt wird, der nicht für die Aufnahme eines Elements integrierter Schaltungen ausreichen würde, damit mehr Platz auf der anderen Seite entsteht, der dann groß genug ist, um ein Element integrierter Schaltungen aufzunehmen. Dies geht aus hervor, wo ein vergrößerter horizontaler Abstand aufeinanderfolgender Lichtleiter auf einer horizontalen Ebene (d. h. einer zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten parallelen Ebene) zwischen den Drähten 108 und den Gateelektroden 104a, 140b, 104c, einschließlich/insbesondere der untere Abstand S_b, zwischen dem zweiten und dritten unteren Lichtleiter (von links) Patz für eine Gateelektrode 104c bietet, die nicht aufgenommen werden könnte, wenn alle Lichtleiter gleich beabstandet wären.
Die nicht-monotone Variation der Spaltbreite und/oder des Spaltpitchs zwischen Farbfiltern ermöglicht die Verschiebung der Farbfilter zusammen mit den zugehörigen unteren Lichtleitern auf solche Weise, dass die entsprechenden unteren Lichtleitern zum Empfangen von Licht von den jeweiligen Farbfiltern ausgerichtet bleiben.
Wenn der Spalt mit Luft, Gas(en), einer Flüssigkeit oder einem Feststoff mit einer geringeren Brechzahl als der Farbfilter gefüllt ist, oder aber sich eine konvexe Abdeckung über dem Spalt befindet im Fall, dass eine Brechzahl über der Abdeckung größer ist als eine Brechzahl unter der Abdeckung, kann Licht immer noch vom Spalt zu den Farbfiltern abgelenkt werden, auch wenn sich die Spaltbreite ändert. Wenn daher ein erster, zweiter, dritter und vierter Farbfilter aufeinanderfolgen, kann der zweite Farbfilter näher zum ersten Farbfilter und der dritte Farbfilter näher zum vierten Farbfilter verschoben werden, während alle vier zum Erfassen von Licht effektiv bleiben. Wie in gezeigt, erreichen die Strahlen c und d, die in den breiteren Spalt zwischen der Farbfiltern des zweiten und dritten Pixels fallen, immer noch die jeweiligen Farbfilter und werden an die entsprechenden photoelektrischen Umwandlungseinheiten übertragen. Aufgrund der Spalte zwischen den Farbfiltern und der Möglichkeit der Reduzierung der Spaltbreite bei manchen Spalten, während die Breite eines Spalts zwischen den schmaleren Spalten vergrößert wird, können die unteren Lichtleiter unter den Farbfiltern ähnlich reduzierte Abstände unter den schmaleren Spalten und größere Abstände unter den breiteren Spalten aufweisen, während eine gute Lichterfassung der jeweiligen Pixel erhalten bleibt.
zeigt die gleiche Draufsicht der fünfzehn Pixel von . kann als vertikaler Querschnitt des ersten bis vierten Pixels von links entlang der Querschnittslinie ZZ' in verstanden werden. Die fetten „+” Markierungen innerhalb der unteren Flächen und auf der Querschnittslinie ZZ' kennzeichnen die vertikalen Mittellinien (in als gestrichelte Linien dargestellt) der unteren Lichtleiter dieser Pixel in der Ebene, die orthogonal zum Substrat 106 ist und die Querschnittslinie ZZ' enthält. Die unteren Pitches X_a, X_b zwischen den vier Pixeln entlang der Querschnittslinie ZZ' weisen gemäß Abbildung eine nicht-monotone Änderung auf. Insbesondere entspricht die Sequenz des unteren Pitchs {X_a, X_b, X_a, X_b} entlang der Querschnittslinie ZZ' dem Schema {Zunahme, Abnahme, Zunahme}.
Die obige Beschreibung hat gezeigt, wie die Packungsdichte von Elementen integrierter Schaltungen durch nicht-monotone Variationen eines horizontalen Abstands (insbesondere des unteren Abstands) zwischen aufeinanderfolgenden Lichtleitern von in einer Richtung angeordneten Pixeln erhöht werden kann. Eine nicht-monotone Variation des horizontalen Abstands (insbesondere des unteren Abstands) wird durch nicht-monotone Variationen der folgenden Größen begünstigt: ein horizontaler Pitch zwischen aufeinanderfolgenden Lichtleitern von in einer Richtung angeordneten Pixeln (insbesondere der untere Pitch), die Spaltbreite und der Spaltpitch. Beispielsweise kann eine Variation des Spaltpitchs um bis zu *** zugelassen werden. Bevorzugt zeigt sich die Nichtmonotonie innerhalb einer kleinen Gruppe von Pixeln, die in einer Richtung Seite an Seite angeordnet sind, beispielsweise einer Gruppe von 32 oder 16 Pixeln und weiter bevorzugt von 8 Pixeln. Innerhalb einer solchen Gruppe besteht die Variation bzw. bestehen die Variationen in einer Zunahme, auf die eine Abnahme folgt, auf die wiederum eine Zunahme folgt, oder in einer Abnahme, auf die eine Zunahme folgt, auf die wiederum eine Abnahme folgt.
Die obige Beschreibung zeigt außerdem, wie die Packungsdichte erhöht werden kann, indem die Breite der in die Isolationsschichten eingebetteten Lichtleiter für die verschiedenen übertragenen Farben des Lichts so optimiert wird, dass möglichst wenig Platz in Anspruch genommen wird. Lichtleiter, die nur Licht kleinerer Wellenlänge übertragen, sollten schmaler sein als solche, die Licht größerer Wellenlängen übertragen.
Es wird darauf hingewiesen, dass zwar bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben und in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt wurden, diese aber lediglich illustrativen Zwecken dienen und die Interpretation der Erfindung nicht einschränken, und dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Konstruktionsweisen und Anordnungen beschränkt ist, die beschrieben und dargestellt wurden, da ein Fachmann verschiedene Modifikationen ableiten kann.
Beispielsweise können die Pixel in einer Pixelanordnung Seite an Seite in Richtungen angeordnet sein, die zu den Richtungen von links nach rechts und von oben nach unten einen Winkel von 45 Grad bilden (parallel zur Ebene der photoelektrischen Umwandlungseinheiten).
Beispielsweise kann die obere/untere Öffnung des oberen/unteren Lichtleiters eine andere Form als die eines Rechtecks aufweisen, z. B. die eines Oktogons oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken.

Claims

Bildsensorpixel, umfassend eine Pixelanordnung, die eine Mehrzahl von Pixeln enthält, wobei jedes Pixel umfasst: eine photoelektrische Umwandlungseinheit unterhalb einer Isolationsschicht; und einen Lichtleiter zur Übertragung von Licht zur photoelektrischen Umwandlungseinheit, der in die Isolationsschicht und zwischen einer Mehrzahl von Drähten eingebettet ist, die ebenfalls in die Isolationsschicht eingebettet sind, wobei ein horizontaler Abstand zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind und der Mehrzahl von Pixeln angehören, innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt.
Bildsensor gemäß Anspruch 1, wobei jedes der Pixel weiterhin umfasst: einen Farbfilter, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und die Breite des Spalts innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt.
Bildsensor gemäß Anspruch 2, wobei jedes der Pixel weiterhin umfasst: einen Farbfilter, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und ein Spaltpitch innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln um nicht mehr als 0,1 μm variiert, wobei der Spaltpitch der horizontale Abstand zwischen Paaren aufeinanderfolgender Mittellinien der Spalte ist.
Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei jedes der Pixel weiterhin umfasst: einen Farbfilter, der zur Übertragung von Licht über den Lichtleiter zur photoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, wobei sich zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel der fünf oder mehr Pixel ein Spalt befindet und ein Spaltpitch innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt, wobei der Spaltpitch der horizontale Abstand zwischen Paaren aufeinanderfolgender Mittellinien der Spalte ist.
Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Spalt Luft oder Gas enthält.
Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Spalt eine Flüssigkeit oder einen Feststoff enthält und die Flüssigkeit bzw. der Feststoff eine Brechzahl aufweist, die mindestens um 20 kleiner ist als diejenige des Farbfilters.
Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Spalt eine Breite von nicht mehr als 0,45 μm zwischen den Farbfiltern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel aufweist.
Bildsensor gemäß Anspruch 1, wobei der Lichtleiter eine Breite aufweist, die innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt.
Bildsensor gemäß Anspruch 8, wobei die Breite des Lichtleiters bei einem Pixel der fünf oder mehr Pixel, das für die Erkennung von Licht nur kleinerer Wellenlängen konfiguriert ist, geringer als bei einem anderen Pixel der fünf oder mehr Pixel, das für die Erkennung von Licht größerer Wellenlängen konfiguriert ist.
Bildsensor gemäß Anspruch 8, wobei die Breite des Lichtleiters bei einem blauen Pixel kleiner ist als bei einem roten Pixel.
Bildsensor gemäß Anspruch 8, wobei die Breite des Lichtleiters bei einem blauen Pixel kleiner ist als bei einem grünen Pixel.
Bildsensor gemäß Anspruch 8, wobei die Breite des Lichtleiters bei einem grünen Pixel kleiner ist als bei einem roten Pixel.
Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Farbfilter ein Farbmittel enthält.
Verfahren zum Erkennen eines Bilds mit Hilfe eines Festkörperbildsensors, das umfasst: Bereitstellen einer Mehrzahl von photoelektrischen Umwandlungseinheiten unter einer Isolationsschicht und unter einer Mehrzahl von Drähten, die in die Isolationsschicht eingebettet sind; und Bereitstellen einer Mehrzahl von Lichtleitern zur Übertragung von Licht zur photoelektrischen Umwandlungseinheit, die in die Isolationsschicht und zwischen der Mehrzahl von Drähten eingebettet sind, wobei ein horizontaler Abstand zwischen den Lichtleitern jedes Paars aufeinanderfolgender Pixel einer Gruppe von fünf oder mehr Pixeln, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind und der Mehrzahl von Pixeln angehören, innerhalb der Gruppe von fünf oder mehr Pixeln abwechselnd zu- und abnimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Bildsensor weiterhin durch einen der Ansprüche 2 bis 13 gekennzeichnet ist.