DE60031590T2

DE60031590T2 - Bildsensor

Info

Publication number: DE60031590T2
Application number: DE60031590T
Authority: DE
Inventors: Eric Ying-Chin Fremont Chou
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Aptina Imaging Corp
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP4366702B2; DE60031590D1; JP2000236416A; EP1026747A2; EP1026747B1; EP1026747A3; US6252218B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Aktivbildsensor, z. B. einen Aktivbildsensor mit einer Amorphsilizium-Erfassungsschicht und einer Halbleiterausleseschicht.
Viele moderne Bilderfassungssysteme, wie z. B. Digitalkameras, Camcorder, Scanner, Kopierer und dergleichen, erfordern einen Bildsensor, der in der Lage ist, ein Bild mit hoher Auflösung und Farbwiedergabetreue zu erfassen. Ein Großteil der Bilderfassungssysteme verwendet einen Festkörperbildsensor aufgrund Einschränkungen bei Systemgröße, Gewicht, Leistungsaufnahme, Wärmeabfuhr und Dauerhaftigkeit. Die Fähigkeit des Bilderfassungssystems, Bilder mit hoher Auflösung und Farbwiedergabetreue zu erfassen, hängt in hohem Maße von dem verwendeten Bildsensor ab. Eine Bildsensorauflösung wird normalerweise in der Anzahl von Pixeln gemessen, die in dem Bildsensor enthalten sind. Die Auflösung eines Festkörpersensors kann durch ein Verringern der Größe der Pixel erhöht werden, so dass mehr Pixel in einen vorbestimmten Bereich passen. Ein Bild, das auf einen Bildsensor auftrifft, der mehr Pixel pro Flächeneinheit aufweist, kann mit größerer Auflösung erfasst werden als bei einem Bildsensor, der weniger Pixel pro Flächeneinheit aufweist. Pixelgeometrie und Symmetrie zwischen Pixeln kann ebenfalls die Anzahl von Pixeln pro Flächeneinheit beeinflussen. Außerdem kann die Symmetrie zwischen Pixeln ein Farb-Aliasing beeinflussen. Andere Faktoren, wie z. B. elektrisches Rauschen, das durch die Pixel erzeugt wird, können die Bildqualität beeinflussen. Außerdem kann bei Farbbildern die Farbwiedergabetreue des Bildes durch ein vorbestimmtes Farbmuster beeinflusst werden, das den Pixeln bei dem Bildsensor zugewiesen ist.
Erwünschte Attribute eines Bildsensors umfassen geringes elektrisches Rauschen, Flexibilität bei dem Farbmuster, optimierte Pixeldichte und -geometrie für gesteigerte Auflösung, Symmetrie zwischen benachbarten Pixeln und einen maximierten Pixelfüllfaktor. Geringes elektrisches Rauschen verhindert, dass ein Bildsignal, das durch das Pixel erzeugt wird, durch Rauschen verfälscht wird; außerdem können Rauschen und Leckstrom von einem einzelnen Pixel das Bildsignal von benachbarten Pixeln beeinflussen. Außerdem kann ein elektrisches Pixelrauschen durch Pixelgeometrie und Symmetrie zwischen Pixeln beeinflusst werden. Eine Schaltungsanordnung oder Algorithmen, um das elektrische Rauschen herauszufiltern, können durch ein Verringern des Rauschens, das durch jedes Pixel erzeugt wird, minimiert oder beseitigt werden. Ein flexibles Farbmuster ermöglicht, dass der Bildsensor auf spezifische Anwendungen zugeschnitten wird, wie z. B. ein RGB-Farbmuster für Photographie oder Video oder ein CMY-Farbmuster zum Drucken oder Scannen.
Pixel, die eine rechteckige Geometrie aufweisen, können aufgrund abrupter Rechteckkanten, die bei einer aktiven Vorrichtung, wie z. B. einer Photodiode, einen Leckstrom erzeugen, zusätzliches Rauschen erzeugen. Eine Pixelgeometrie, die Rauschen aufgrund abrupter Kanten beseitigt, ist erwünscht. Ferner ist es erwünscht, die aktive Fläche des Pixels, die für das Erfassen des Bildes vorgesehen ist, zu maximieren, so dass das Verhältnis der aktiven Fläche zu der Pixelfläche sich einem Füllfaktor von 100% nähert. Durch ein Entfernen von Komponenten, wie z. B. Transistoren und Signalführungsleitungen, von dem Pixel kann die Fläche, die durch die Komponenten belegt wurde, verwendet werden, um die aktive Fläche des Pixels zu maximieren, wodurch der Füllfaktor gesteigert wird.
Frühere Bildsensorentwürfe umfassen Photogatteraktivpixelsensoren, Massivsilizium-Photodiodenpixelsensoren mit drei Transistoren, gepulste bipolare CMOS-Aktivpixelsensoren und rechteckige CMOS-Pixelsensoren.
Der Photogatteraktivpixelsensor verwendet vier Transistoren innerhalb eines CMOS-Photogatterpixels zur rauscharmen Operation und zum elektronischen Verschließen. Diese Anzahl von Transistoren führt jedoch zu einer Pixelfläche, die nicht mit hochmodernen CCD-Bildsensoren konkurrieren kann, die Pixelflächen aufweisen, die sich 5 × 5 μm² nähern. Die Anzahl von Transistoren bei dem Photogattersensor führt zu einem geringeren Füllfaktor verglichen mit dem hochmodernen CCD-Bildsensor.
Der gepulste bipolare CMOS-Aktivpixelsensor verwendet eine Vertikalbipolarvorrichtung bei einem CMOS-Prozess. Die Verwendung von Bipolarvorrichtungen führt aufgrund weniger Transistoren bei dem Pixel zu einer kleineren Pixelfläche; Nachteile dieses Entwurfs umfassen jedoch ein Bildnacheilen und die Notwendigkeit, ein Ausgangssignal von dem Pixel mit einem Hoch-β-Verstärkungsbipolartransistor zu verstärken. Der Hoch-β-Verstärkungsbipolartransistor weist eine Signalverschlechterung bei Bedingungen eines geringen Stroms auf und schränkt die Skalierbarkeit des Pixels aufgrund einer Integrationsverstärkungsstufe in einem Ausleseweg des Pixels ein. Außerdem wird ein zusätzlicher Emitteranschluss benötigt, um einen Überlaufzustand zu verhindern. Der zusätzliche Emitteranschluss erzeugt eine unsymmetrische Pixelanordnung bei dem CMOS-Prozess. Bei dem gepulsten bipolaren CMOS-Aktivpixelsensor wird die Pixelfläche nicht minimiert, weil CMOS-Entwurfsregeln erfordern, dass benachbarte Pixel voneinander beabstandet sind, um mit Entwurfsregeln für eine N-Wannenbeabstandung konform zu sein.
Der Massivsilizium-Photodiodenpixelsensor ist gegenüber dem hochmodernen CCD-Bildsensor nicht konkurrenzfähig, da die Photodiode und die Transistoren bezüglich der gleichen Siliziumschicht integriert sind und die Fläche, die durch die Transistoren belegt wird, die aktive Fläche verringert, die für die Photodiode verfügbar ist, was zu einem Füllfaktor von etwa 30% unter Verwendung von 1,2 μm-CMOS-Prozesstechnologie führt.
Rechteckige CMOS-Aktivpixelsensorentwürfe verwenden eine rechteckige Pixelgeometrie, wobei die Pixel in einem rechteckigen Gitter angeordnet sind. Es ist ersichtlich, dass das rechteckige Gitter nicht zu einer optimierten Pixeldichte führt. Bayers Farbmuster wurde als das Farbfilterarray-(CFA)Muster für das rechteckige Gitter entwickelt. Bei dem Bayer-CFA-Muster ist die Farbdichte für Rot-, Grün- und Blau-Sensoren in dem Verhältnis 1 : 2 : 1. Deshalb gibt es zwei Grün-Pixel für jedes Rot-Pixel und Blau-Pixel in dem Array. Im Allgemeinen ist die Farbdichte für das Bayer-CFA-Muster nicht die beste Wahl, da dieselbe zwei der Sensorfarben (Rot und Blau) unterabtastet und der Farbmusterkern nicht symmetrisch ist. Bei dem Bayer-CFA-Muster gehen lineare horizontale, lineare vertikale und lineare diagonale Bildmerkmale niemals durch mehr als zwei unterschiedliche Farbsensororte hindurch, weil die Rot- und die Blau-Sensororte niemals benachbart zu Sensoren der gleichen Farbe sind. Die rechteckige Pixelgeometrie ist für eine flexible Farbmusterung nicht zugänglich.
In 1 wird zu Veranschaulichungszwecken ein rechteckiger CMOS-Aktivpixelsensor gemäß dem Stand der Technik geliefert, der allgemein als 100 bezeichnet ist. Der Sensor 100 weist eine Mehrzahl von Teilpixeln 101 auf. Vier der Teilpixel 101 definieren ein Pixel 103, das mit dicker Umrandung gezeigt ist. Das Pixel 103 weist zwei Grünteilpixel 105, ein Rotteilpixel 107 und ein Blauteilpixel 109 auf. Diese Anordnung des Farbmusters für die Teilpixel 101 bei dem Pixel 103 entspricht dem Bayer-CFA-Muster, wobei die Farbdichte des Rotteilpixels 107, des Grünteilpixels 105 und des Blauteilpixels 109 in dem Verhältnis 1 : 2 : 1 ist, wobei das Pixel 103 zwei Grünteilpixel 105 für ein Rotteilpixel 107 und ein Blauteilpixel 109 aufweist.
2 veranschaulicht geradlinige Bildmerkmaldurchläufe über einen Sensor 100 gemäß dem Stand der Technik. Bei einem ersten horizontalen Durchgang, wie er durch einen Pfeil 133 gezeigt ist, geht das Bildmerkmal durch die Grünteilpixel 105 und die Rotteilpixel 107. Bei einem zweiten horizontalen Durchgang, wie er durch einen Pfeil 122 gezeigt ist, geht das Bildmerkmal durch die Blauteilpixel 109 und die Grünteilpixel 105. Der erste horizontale Durchgang 133 überquert niemals die Blauteilpixel 109. Auf ähnliche Weise überquert der zweite horizontale Durchgang 122 niemals die Rotteilpixel 107. Da der Bayer-CFA-Farbmusterkern nicht symmetrisch ist, unternehmen der erste horizontale Durchgang 133 und der zweite horizontale Durchgang 122 niemals eine sequentielle Überquerung der Rotteilpixel 107, der Grünteilpixel 105 und der Blauteilpixel 109 bei einem einzigen Durchgang des Sensors 100. Das gleiche gilt für einen ersten vertikalen Durchgang, wie er durch einen Pfeil 135 gezeigt ist, wo nur die Grünteilpixel 105 und die Rotteilpixel 107 durchlaufen werden. Bei einem zweiten vertikalen Durchgang, wie er durch einen Pfeil 124 gezeigt ist, werden nur die Grünteilpixel 105 und die Blauteilpixel 109 durchlaufen. Außerdem werden bei einem ersten diagonalen Durchgang, wie er durch einen Pfeil 137 gezeigt ist, nur alle Grünteilpixel 105 durchlaufen. Bei einem zweiten diagonalen Durchgang, wie er durch einen Pfeil 126 gezeigt ist, werden nur die Rotteilpixel 107 und die Blauteilpixel 109 durchlaufen. Da das Bayer-CFA-Muster keine Farbsymmetrie zwischen benachbarten Teilpixeln 101 aufweist, ist ein sequentieller Durchgang der Rotteilpixel 107, der Grünteilpixel 105 und der Blauteilpixel 109, der mit dem RGB-Farbmuster übereinstimmt, für vertikale, horizontale und diagonale Bildmerkmale nicht möglich.
CMOS-Photogatter- und Photodiodenimplementierungen eines Aktivpixelsensors weisen ein Übersprechen zwischen Pixeln unterschiedlicher Farbe aufgrund eines Elektronenleckens von einem Elektronensammelknoten auf. Außerdem wird das Übersprechen durch jegliche Uneinheitlichkeit bei der Entfernung zwischen Pixeln verschlimmert. Eine derartige Uneinheitlichkeit kann zu einem uneinheitlichen Übersprechungsmuster speziell für unterschiedliche Farbkanäle führen. Aufgrund der rechteckigen Geometrie und des Bayer-CFA-Musters ist ein Pixel von einer Gruppe von acht Pixeln umgeben. Die Pixel in der Gruppe, die horizontal oder vertikal benachbart zu dem umgebenen Pixel sind, befinden sich näher an dem umgebenen Pixel als Pixel, die diagonal benachbart zu dem umgebenen Pixel sind, was zu einer Schwankung der Entfernung zwischen den umgebenen Pixeln und den anderen Pixeln in der Gruppe führt. Ein uneinheitliches Übersprechungsmuster wird durch die Entfernungsschwankung erzeugt.
In 3 ist zu Veranschaulichungszwecken die relative Entfernung zwischen benachbarten Teilpixeln 101 eines Sensors 100 gemäß dem Stand der Technik durch Pfeile 139 gezeigt. Ein Rotteilpixel 117 ist von vier Grünteilpixeln 125 und vier Blauteilpixeln 129 umgeben. Die Blauteilpixel 129 sind diagonal zu dem Rotteilpixel 117 benachbart und befinden sich in einer größeren Entfernung von dem Rotteilpixel 117 als die Grünteilpixel 125, die an das Rotteilpixel 117 anstoßen. Auf ähnliche Weise ist das Blauteilpixel 119 von vier Grünteilpixeln 125 und vier Rotteilpixeln 127 umgeben, wobei die Rotteilpixel 127 diagonal zu dem Blauteilpixel 119 positioniert sind sowie in einer größeren Entfernung von demselben als die Grünteilpixel 125. Die Grünteilpixel 125 stoßen an das Blauteilpixel 119 an und befinden sich deshalb entfernungsmäßig näher an dem Blauteilpixel 119 als die Rotteilpixel 127. Ein Grünteilpixel 115 ist von zwei Rotteilpixeln 127, zwei Blauteilpixeln 129 und vier Grünteilpixeln 125 umgeben. Die zwei Rotteilpixel 127 und die zwei Blauteilpixel 129 stoßen an das Grünteilpixel 115 an, wohingegen die vier Grünteilpixel 125 diagonal zu dem Grünteilpixel 115 positioniert sind. Aufgrund der Überabtastung von Grün um einen Faktor von Zwei zu Eins gegenüber Rot und Blau bei dem Bayer-CFA-Muster ist das Grünteilpixel 115 von vier Grünteilpixeln 125 umgeben. Für jeden Fall eines umgebenen Teilpixels kann die zusätzliche Entfernung zwischen dem umgebenen Pixel und diagonal benachbarten Pixeln zu einem uneinheitlichen Übersprechungs muster führen. Bei dem Grünteilpixel 115 kann das uneinheitliche Übersprechungsmuster verschlimmert werden, weil das Grünteilpixel 115 nicht von einer gleichen Anzahl von Teilpixeln umgeben ist, die die gleiche Farbe aufweisen. Es kann sein, dass die zwei Blauteilpixel 129 und die zwei Rotteilpixel 127 keine Übersprechungsmuster aufweisen, die sich aufheben, was zu einem zusätzlichen Übersprechen aufgrund eines Farbungleichgewichts führt, das mit dem Übersprechen aufgrund der zusätzlichen Entfernung der vier Grünteilpixel 125, die zu dem Grünteilpixel 115 diagonal sind, additiv ist.
Die US 5,619,033 offenbart eine Photoerfassungsvorrichtung mit zumindest einer Photodiode, die über einem Transistor gebildet und mit demselben gekoppelt ist. Die Photoerfassungsvorrichtungen sind in einer Matrix gebildet. Jede Photodiode ist von benachbarten Photodioden durch Kerben getrennt, die in einem beliebigen zweidimensionalen polygonalen Muster gebildet sein können, wie z. B. Dreieck- oder Sechseckmuster.
Aus dem Vorhergehenden ist es ersichtlich, dass ein Bedarf an einem Aktivbildsensor hoher Auflösung, geringen Rauschens, flexiblen Farbmusters, hohen Füllfaktors, optimierter Pixelgeometrie, hoher Dichte und geringen Übersprechens besteht.
Die vorliegende Erfindung liefert einen verbesserten Bildsensor.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bildsensor gemäß Anspruch 1 geliefert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Aktivbildsensor geliefert, bei dem Photodioden in einem geometrisch effizienten Muster, bevorzugt hexagonal im Gegensatz zu geradlinig, angeordnet sind, und bei dem die Photodioden und ihre zugeordneten Verstärker vertikal gestapelt sind.
Ein derartiger Bildsensor weist eine höhere Pixeldichte auf als die anderen Sensoren und bietet eine höhere Auflösung, eine bessere Farbwiedergabetreue, geringeres Rauschen, geringeres Übersprechen und ein flexibleres CFA-Muster.
Der Bildsensor umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine Mehrzahl von Auslesezellen aufweist, die in dem Substrat gebildet sind. Das Substrat definiert eine Ausleseschicht, wobei die Auslesezellen in Zeilen positioniert sind. Jede Auslesezelle weist einen Signaleingang auf. Ein dielektrisches Material ist an der Ausleseschicht gebildet, um eine Erfassungsschicht zu definieren. Eine Mehrzahl von Hohlräumen ist in der Erfassungsschicht gebildet. Die Hohlräume sind in einer hexagonalen Gitteranordnung angeordnet und sind in gegenüberliegender Beziehung zu den Auslesezellen in der Ausleseschicht positioniert. Eine Amorphsilizium-P-I-N-Photodiode ist in jedem Hohlraum der Erfassungsschicht gebildet. Jede Photodiode erzeugt ein Ausgangssignal, das Licht anzeigt, das auf die Photodiode auftrifft. Eine Verbindung übermittelt das Ausgangssignal von der Photodiode zu dem Signaleingang der Auslesezelle. Eine vorgespannte optisch durchlässige Elektrode ist in jedem Hohlraum angeordnet und ist wirksam, um die Photodiode vorzuspannen, und ermöglicht, dass Licht, das auf die Elektrode auftrifft, auf die Photodiode abgebildet wird. Die Photodiode und die Elektrode definieren ein Teilpixel der Erfassungsschicht. Ein Verstärker ist in jeder Auslesezelle vertikal unter einer zugeordneten Photodiode gestapelt und in elektrischer Kommunikation damit angeordnet, um das Signal von dieser Photodiode zu verstärken. Das Platzieren des Verstärkers unter seiner zugeordneten Photodiode beseitigt Signalführungsleitungen, Transistoren und andere Komponenten aus der aktiven Fläche der Photodiode, wodurch die Fläche der Photodiode, die zum Empfangen von auftreffendem Licht verfügbar ist, maximiert wird.
Eine undurchlässige optische Abschirmung kann verwendet werden, um zu verhindern, dass Licht, das auf die Photodiode auftrifft, auf die Ausleseschicht auftrifft.
Das Teilpixel ist bevorzugt geformt, um eine Teilpixeldichte in der Erfassungsschicht zu optimieren. Eine hexagonale Form funktioniert gut, eine andere geeignete Form, wie z. B. eine kreisförmige Form, kann jedoch verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Ausleseschicht einen schlangenförmigen Bus und einen Treppenstufenbus auf. Der schlangenförmige Bus und der Treppenstufenbus sind durch eine Zeile, die ein erstes Muster einer Signalführung aufweist, und eine benachbarte Zeile, die ein zweites Muster einer Signalführung aufweist, definiert. Das erste und das zweite Muster sind ausgerichtet, um den schlangenförmigen Bus und den Treppenstufenbus zu bilden. Der schlangenförmige Bus und der Treppenstufenbus erstrecken sich durch die gesamte Ausleseschicht. Wie es im Vorhergehenden erwähnt wurde, wird die aktive Fläche der Photodiode in der Erfassungsschicht durch ein Platzieren der Signalführung in der Ausleseschicht maximiert.
Die Erfassungsschicht kann eine Filterschicht umfassen, die benachbart zu der Elektrode positioniert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Filterschicht ein Farbfilter. Das Farbfilter kann bei den Teilpixeln verschieden sein, um ein gewünschtes Farbmuster zu erzeugen oder eine Symmetrie oder Asymmetrie bei dem Farbfiltermuster bei benachbarten Teilpixeln zu erzeugen.
Die Erfassungsschicht kann ein Infrarotfilter umfassen, um die Absorption von Infrarotrauschen von dem Licht, das auf das Teilpixel auftrifft, zu dämpfen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Erfassungsschicht eine Mikrolinse, die benachbart zu dem Teilpi xel positioniert ist, zum Fokussieren von auftreffendem Licht auf das Teilpixel.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Grundrissdraufsicht eines rechteckigen CMOS-Aktivpixelsensors gemäß dem Stand der Technik mit einem Bayer-CFA-Muster.
2 eine Grundrissdraufsicht eines rechteckigen CMOS-Aktivpixelsensors gemäß dem Stand der Technik, die geradlinige Bilddurchläufe veranschaulicht.
3 eine Grundrissdraufsicht eines rechteckigen CMOS-Aktivpixelsensors gemäß dem Stand der Technik, die eine relative Entfernung zwischen benachbarten Teilpixeln veranschaulicht.
4 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors mit einer Erfassungsschicht und einer rechteckigen Ausleseschicht.
5a eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors mit hexagonal geformten Teilpixeln.
5b eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors mit Auslesezellen in einer hexagonalen Gitteranordnung.
6 eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors mit kreisförmig geformten Teilpixeln.
7a ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Verstärkers bei einer Auslesezelle.
7b eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Auslesezellensignalführung.
8 eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors mit einem Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster.
9 eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines kreisförmigen Arrays mit einem Gleichverteilungs-CMY-Farbmuster.
10 eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors, die geradlinige Bilddurchläufe des RGB-Farbmusters zeigt.
11 eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors, die geradlinige Bilddurchläufe des CMY-Farbmusters zeigt.
12 eine Grundrissdraufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bildsensors, die geradlinige Bilddurchläufe eines Farbmusters zeigt.
Wie es in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist, ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Bildsensor, der ein Halbleitersubstrat, das eine Ausleseschicht definiert, und ein dielektrisches Material umfasst, das eine Erfassungsschicht definiert. Die Ausleseschicht weist eine Mehrzahl von Auslesezellen auf, die in dem Substrat gebildet und in Zeilen angeordnet sind. Die Auslesezellen in einer Zeile sind positionsmäßig bezüglich der Auslesezellen in einer benachbarten Zeile versetzt. Jede Auslesezelle weist einen Signaleingang auf. Das dielektrische Material ist an der Ausleseschicht gebildet, um die Erfassungsschicht zu definieren. Eine Mehrzahl von Hohlräumen ist in der Erfassungsschicht gebildet. Die Hohlräume sind in einer hexagonalen Gitteranordnung angeordnet und sind in gegenüberliegender Beziehung zu den Auslesezellen in der Ausleseschicht positioniert. Ein Abschnitt jedes Hohlraums weist eine Öffnung in Kommunikation mit dem Signaleingang der Auslesezelle auf. Eine Amorphsilizium-P-I-N-Photodiode ist in jedem Hohlraum gebildet und definiert ein Teilpixel des Bildsensors. Jede Photodiode erzeugt ein Ausgangssignal, das Licht anzeigt, das darauf auftrifft. Eine Verbindung, die in der Öffnung jedes Hohlraums positioniert ist, übermittelt das Ausgangssignal von der Photodiode zu dem Signaleingang der Auslesezelle. Eine vorgespannte optisch durchlässige Elektrode ist in dem Hohlraum angeordnet und ist wirksam, um die Photodiode vorzuspannen, und ermöglicht, dass Licht, das auf der Elektrode auftrifft, auf die Photodiode abgebildet wird. Die Photodiode und die Elektrode definieren ein Teilpixel. Der Bildsensor weist eine optimale Teilpixeldichte auf, maximiert einen Teilpixelfüllfaktor, weist eine flexible Teilpixelgeometrie auf, kann mit einer Vielzahl von Farbmustern implementiert werden, verringert elektrisches Rauschen und Übersprechen und liefert eine einheitliche Beabstandung und Symmetrie zwischen Teilpixeln.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Bildsensors gezeigt, der ein Halbleitersubstrat umfasst, das eine Ausleseschicht 17 definiert. Die Ausleseschicht 17 weist eine Mehrzahl von Auslesezellen 20 auf, die darin gebildet sind. 4 veranschaulicht eine Auslesezelle 20 in der Ausleseschicht 17. Die Auslesezellen 20 sind in Zeilen angeordnet, wobei die Auslesezellen 20 in einer Zeile positionsmäßig bezüglich der Auslesezellen 20 in einer benachbarten Zeile versetzt sind. Bei der Ausleseschicht 17 kann es sich um ein beliebiges Halbleitersubstrat handeln, z. B. massives Silizium.
Ein dielektrisches Material ist an der Ausleseschicht 17 gebildet, um eine Erfassungsschicht 3 zu definieren. Eine Mehrzahl von Hohlräumen 6 ist in der Erfassungsschicht 3 gebildet. Die Hohlräume 6 sind in einer hexagonalen Git teranordnung angeordnet und sind in gegenüberliegender Beziehung zu den Auslesezellen 20 positioniert, so dass eine Eins-Zu-Eins-Entsprechung zwischen jedem Hohlraum 6 in der Erfassungsschicht 3 und jeder Auslesezelle 20 in der Ausleseschicht 17 besteht. Bei dem dielektrischen Material kann es sich um einen beliebigen Isolator handeln, wie z. B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
Eine Amorphsilizium-P-I-N-Photodiode 7 ist in dem Hohlraum 6 gebildet. Die Photodiode 7 ist wirksam, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das Licht anzeigt, das auf die Photodiode 7 auftrifft. Die Photodiode 7 kann z. B. durch ein Aufbringen einer Schicht von amorphem N-Typ-Silizium 15 in dem Hohlraum 6 gefolgt von einer Schicht von eigenleitendem bzw. intrinsischem amorphem Silizium 13 und schließlich einer Schicht von amorphem P-Typ-Silizium 11 gebildet werden. Ein Abschnitt des Hohlraums 6 weist eine Öffnung 8 in Kommunikation mit einem Signaleingang 24 der Auslesezelle 20 auf. Eine Verbindung 21, die in der Öffnung 8 angeordnet ist, übermittelt das Ausgangssignal der Photodiode 7 zu dem Signaleingang 24. Die Verbindung 21 kann aus einem Leiter hergestellt sein, wie z. B. Aluminium oder Wolfram.
Eine vorgespannte optisch durchlässige Elektrode 9 ist an der Photodiode 7 angeordnet, um die Photodiode 7 vorzuspannen und zu ermöglichen, dass Licht, das auf die Elektrode 9 auftrifft, auf die Photodiode 7 abgebildet wird. Die Elektrode 9 befindet sich in elektrischer Kommunikation mit einer Spannungsquelle, wie z. B. Masse, und mit der Schicht 11. Die Elektrode 9 kann z. B. unter Verwendung von Indium-Zinn-Oxid (ITO) implementiert werden. Die Elektrode 9 und die Photodiode 7 definieren ein Teilpixel 5 des Bildsensors 1. 4 veranschaulicht ein Teilpixel 5 in der Erfassungsschicht 3.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Erfassungsschicht 3 eine Filterschicht 25 umfassen, die wirksam ist, um eine ausgewählte Wellenlänge von Licht von dem Licht, das auf das Teilpixel 5 auftrifft, durchzulassen. Die Filterschicht 25 ist benachbart zu der Elektrode 9 gezeigt; die Filterschicht 25 kann jedoch irgendwo in der Erfassungsschicht 3 positioniert sein, vorausgesetzt, dass das auftreffende Licht gefiltert wird, bevor dasselbe das Teilpixel 5 erreicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Filterschicht 25 ein Farbfilter. Das Farbfilter weist eine vorbestimmte Farbe auf. Bei der Wellenlänge von Licht, die durch das Farbfilter durchgelassen wird, kann es sich um eine Farbe handeln, wie z. B. Rot, Grün, Blau, Cyan, Magenta oder Gelb. Eine beliebige Farbe, die für die gewünschte Anwendung des Bildsensors 1 geeignet ist, kann für die Farbe des Farbfilters verwendet werden. Bei einigen Anwendungen, insbesondere denjenigen, die Digitalphotographie oder Video umfassen, kann es sich bei der Farbe des Farbfilters um eine Farbe von einem RGB-Farbmuster handeln, das z. B. aus Rot, Grün und Blau besteht. Für Druck- oder Scananwendungen kann es sich bei der Farbe des Farbfilters um eine Farbe von einem CMY-Farbmuster handeln, das z. B. aus Cyan, Magenta und Gelb besteht.
Außerdem kann die Erfassungsschicht 3 ein Infrarotfilter 27 umfassen, das benachbart zu der Elektrode 9 positioniert ist. Das Infrarotfilter 27 ist wirksam, um Infrarotrauschen von dem Licht, das auf das Teilpixel 5 auftrifft, zu dämpfen. Ein getrenntes Infrarotfilter 27 kann benachbart zu jedem der Teilpixel 5 positioniert sein, wie es in 4 gezeigt ist, oder bei dem Infrarotfilter 27 kann es sich um eine einzige Schicht handeln, die alle Teilpixel 5 in der Erfassungsschicht 3 bedeckt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Erfassungsschicht 3 eine Mikrolinse 29, die positioniert ist, um auftreffendes Licht auf das Teilpixel 5 zu fokussieren. Die Mikrolinse 29 kann unter Verwendung von hochmodernen Halbleitermikrolinsen-Herstellungstechniken implementiert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Teilpixel 5 eine undurchlässige optische Abschirmungsschicht 23. Die Abschirmungsschicht 23 ist wirksam, um zu verhindern, dass Licht, das auf das Teilpixel 5 auftrifft, durch die Erfassungsschicht 3 hindurchgeht und auf die Ausleseschicht 17 auftrifft. Ein zweites dielektrisches Material 2 kann über der Abschirmungsschicht 23 aufgebracht werden, um die Abschirmungsschicht 23 elektrisch von der Schicht 15 zu isolieren. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die undurchlässige optische Abschirmungsschicht 23 in der Erfassungsschicht 3 zwischen dem Teilpixel 5 und der Ausleseschicht 17 angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 5a weist die Erfassungsschicht 3 Teilpixel 35 auf, die in einer hexagonalen Gitteranordnung 28 angeordnet sind, die mit dicker Umrandung gezeigt ist. Die hexagonale Gitteranordnung 28 führt dazu, dass jedes der Teilpixel 35 in der Erfassungsschicht 3 von sechs benachbarten Teilpixeln 35 umgeben ist. Die hexagonale Gitteranordnung 28 ist durch die gesamte Erfassungsschicht 3 nachgebildet. Alle sieben benachbarten Teilpixel 35 in der hexagonalen Gitteranordnung 28 sind in symmetrischer Beziehung zueinander positioniert. Elektrisches Rauschen aufgrund von Unterschieden bei der Entfernung zwischen benachbarten Teilpixeln wird durch ein Anordnen der Teilpixel 35 in der hexagonalen Gitteranordnung 28 minimiert. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Teilpixel 35 eine im Wesentlichen hexagonale Form auf. Bevorzugt kann es sich bei der Form der Teilpixel 35 um ein gleichseitiges Sechseck handeln. Auf ähnliche Weise weist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 6 veranschaulicht ist, die Erfassungsschicht 3 Teilpixel 45 auf, die eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen und in der hexagonalen Gitteranordnung 28 angeordnet sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Erfassungsschicht 3 ein Pixel 30 auf, das durch drei der Teilpixel 35 definiert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Teilpixel 35 in dem Pixel 30 in einer Dreieckkonfiguration 22 angeordnet, wie es in 5a gezeigt ist. Die Dreieckkonfiguration 22 liefert, wenn dieselbe zusammen mit der hexagonalen Form für die Teilpixel 35 verwendet wird, einen Bildsensor hoher Dichte mit einer Symmetrie zwischen den Teilpixeln 35 in dem Pixel 30 und zwischen benachbarten Pixeln 30 in der Erfassungsschicht 3. Die Anordnung der Teilpixel 35, die verwendet wird, um das Pixel 30 zu definieren, ist nicht auf die Dreieckkonfiguration 22 beschränkt, und andere Konfigurationen sind möglich, z. B. dass die Teilpixel 35 entlang einer Linie angeordnet sind, um die Pixel 30 zu definieren. Auf ähnliche Weise kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 6 veranschaulicht ist, das Pixel 30 durch drei der Teilpixel 45 definiert sein. Außerdem können die Teilpixel 45 in dem Pixel 30 in der Dreieckkonfiguration 22 angeordnet sein.
Teilpixel können durch ein Verwenden von Photolithographie- und Ätzverfahren, die der Halbleiterverarbeitungstechnik gemeinsam sind, gebildet werden, um die gewünschte Form für den Hohlraum 6 in dem dielektrischen Material der Erfassungsschicht 3 zu erzeugen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind, wie es in 5b veranschaulicht ist, die Auslesezellen 20 in einer Zeile 151 der Ausleseschicht 17 positionsmäßig bezüglich der Auslesezellen 20 in einer benachbarten Zeile 153 der Ausleseschicht 17 versetzt, so dass die Auslesezellen 20 in der Ausleseschicht 17 auch in der hexagonalen Gitteranordnung 28 angeordnet sind, was dick umrandet gezeigt ist. Die hexagonale Gitteranordnung 28 ist durch die gesamte Ausleseschicht 17 nachgebildet.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Auslesezellen 20 in der Ausleseschicht 17 in der Dreieckkonfiguration 22 durch ein Versetzen der Auslesezellen 20 in der Zeile 151 um eine Entfernung von der Hälfte der Breite einer Auslesezelle 20 bezüglich der Auslesezellen 20 in der benachbarten Zeile 153 angeordnet. Die entsprechende Symmetrie bei der Platzierung zwischen den Auslesezellen 20 in der Ausleseschicht 17 und den Teilpixeln 35 in der Erfassungsschicht 3, wie es in 5a veranschaulicht ist, ermöglicht Flexibilität bei der relativen Platzierung der Teilpixel 35 bezüglich ihrer zusammenpassenden Auslesezellen 20. Zum Beispiel können die Teilpixel 35 direkt über ihren zusammenpassenden Auslesezellen 20 positioniert sein, oder die Teilpixel 35 können über ihren zusammenpassenden Auslesezellen 20, jedoch in einer horizontalen Richtung verschoben, positioniert sein. Wenn die Teilpixel 35 verschoben sind, sollte die Öffnung 8 für die Verbindung 21 positioniert sein, um mit dem Signaleingang 24 ihrer zusammenpassenden Auslesezellen 20 ausgerichtet zu sein. Eine Ausrichtung ist jedoch nicht nötig, falls Zwischenverbindungsebenen verwendet werden, um das Ausgangssignal von den Teilpixeln 35 zu dem Signaleingang 24 der Auslesezellen 20 zu übermitteln.
Gemäß der Erfindung umfasst, wie es in 7a veranschaulicht ist, die Auslesezelle 20 einen Verstärker, der allgemein als 70 bezeichnet ist. Das Ausgangssignal von der P-I-N-Photodiode 7 wird zu dem Signaleingang 24 der Auslesezelle 20 durch die Verbindung 21 übermittelt. Der Verstärker 70 befindet sich in elektrischer Kommunikation mit dem Signaleingang 24 und ist wirksam, um das Ausgangssignal zu verstärken. Der Verstärker 70 weist einen Verstärkerausgang 79 auf, der das verstärkte Ausgangssignal anzeigt.
Der Verstärker 70 kann einen Transistor 93 mit einem Source-Anschluss, der den Verstärkerausgang 79 liefert, einem Gate-Anschluss, der mit einem Auswähleingang (SEL) 77 verbunden ist, und einem Drain-Anschluss, der mit einem Source-Anschluss eines Transistors 91 verbunden ist, umfassen. Der Transistor 91 weist einen Drain-Anschluss, der mit einer Spannungsquelle, wie z. B. VDD, verbunden ist, und einen Gate-Anschluss, der mit dem Signaleingang 24 verbunden ist, auf. Ein Transistor 95 weist einen Source-Anschluss, der mit dem Signaleingang 24 verbunden ist, einen Drain-Anschluss, der mit einem Rücksetzspannungseingang (VRESET) 73 verbunden ist, und einen Gate-Anschluss, der mit einem Rücksetzeingang (RESET) 75 verbunden ist, auf. Der Transistor 91 verstärkt das Signal, das an dem Signaleingang 24 anliegt. Der Transistor 93 empfängt das verstärkte Signal von dem Source-Anschluss des Transistors 91 und überträgt das verstärkte Signal an den Verstärkerausgang 79, wenn der Transistor 93 angeschaltet ist. Eine Spannung, die an dem Rücksetzspannungseingang 73 anliegt, wird zu dem Gate-Anschluss des Transistors 91 übermittelt, wenn der Transistor 95 durch ein Signal an dem Rücksetzeingang 75 angeschaltet wird, und an den Verstärkerausgang 79 übertragen, wenn der Transistor 93 angeschaltet wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst, wie es in 7b veranschaulicht ist, die Ausleseschicht 17 einen schlangenförmigen Bus 89 und einen Treppenstufenbus 90. Der schlangenförmige Bus 89 und der Treppenstufenbus 90 sind an der Ausleseschicht 17 gebildet und schneiden die Zeilen der Ausleseschicht 17. Der schlangenförmige Bus 89 und der Treppenstufenbus 90 können aus Metallen hergestellt sein, wie z. B. Aluminium und Wolfram. Der schlangenförmige Bus 89 und der Treppenstufenbus 90 sind wirksam, um Signale zwischen den Auslesezellen 20 und der Ausleseschicht 17 zu leiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Zeile 155 in der Ausleseschicht 17 Auslesezellen 20 auf, wobei ein A-Typ-Verbindungsmuster 92 darin gebildet ist, und eine benachbarte Zeile 157 in der Ausleseschicht 17 weist Auslesezellen 20 auf, wobei ein B-Typ- Verbindungsmuster 94 darin gebildet ist. Die Auslesezellen 20, die das A-Typ-Verbindungsmuster 92 aufweisen, umfassen eine C-förmige Verbindung 81 und eine erste L-förmige Verbindung 85. Die Auslesezellen 20, die das B-Typ-Verbindungsmuster 94 aufweisen, umfassen eine zweite L-förmige Verbindung 83 und eine dritte L-förmige Verbindung 87. Die C-förmige Verbindung 81 befindet sich in elektrischer Kommunikation mit der zweiten L-förmigen Verbindung 83 und definiert den schlangenförmigen Bus 89. Die erste L-förmige Verbindung 85 befindet sich in elektrischer Kommunikation mit der dritten L-förmigen Verbindung 87, was den Treppenstufenbus 90 definiert. Der schlangenförmige Bus 89 und der Treppenstufenbus 90 schneiden die Zeile 155 und die benachbarte Zeile 157 der Ausleseschicht 17.
Die versetzte Position der Auslesezellen 20 in der Zeile 155 bezüglich der Auslesezellen 20 in der benachbarten Zeile 157, gekoppelt mit dem A-Typ-Verbindungsmuster 92 und dem B-Typ-Verbindungsmuster 94, bilden eine effiziente und einzigartige Führungsstruktur zum Übermitteln von Signalen zwischen den Auslesezellen 20 und der Ausleseebene 17.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung befindet sich der schlangenförmige Bus 89 in elektrischer Kommunikation mit dem Verstärkerausgang 79, und der Treppenstufenbus 90 befindet sich in elektrischer Kommunikation mit dem Rücksetzspannungseingang 73.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist, wie es in 8 veranschaulicht ist, die Erfassungsschicht 3 Rotteilpixel 5R, Grünteilpixel 5G und Blauteilpixel 5B in einem Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster auf, wobei die Farbe des Farbfilters Rot für die Rotteilpixel 5R, Grün für die Grünteilpixel 5G und Blau für die Blauteilpixel 5B ist. Bei der Erfassungsschicht 3 können die Teilpixel derart ausgerichtet sein, dass ein beliebiges gegebenes Teilpixel von benachbarten Teilpixeln umgeben ist, die eine andere Farbe des Farbfilters aufweisen, wie es durch Pfeile 36 veranschaulicht ist. Die Pfeile 36 veranschaulichen das Rotteilpixel 5R, das von Grünteilpixeln und Blauteilpixeln umgeben ist. Das Grünteilpixel 5G ist von Rotteilpixeln und Blauteilpixeln umgeben. Das Blauteilpixel 5B ist von Rotteilpixeln und Grünteilpixeln umgeben. Obwohl das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster beschränkt, und andere Kombinationen von Farben und Farbmustern können verwendet werden. Obwohl 8 die Teilpixel so darstellt, dass dieselben eine hexagonale Form aufweisen, kann die Form der Teilpixel eine beliebige nicht rechteckige Form sein, z. B. kann die Form der Teilpixel kreisförmig sein, wie es im Vorhergehenden bereits erwähnt wurde.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist, wie es in 9 veranschaulicht ist, die Erfassungsschicht 3 Cyanteilpixel 5C, Magentateilpixel 5M und Gelbteilpixel 5Y in einem Gleichverteilungs-CMY-Farbmuster auf, wobei die Farbe des Farbfilters Cyan für die Cyanteilpixel 5C, Magenta für die Magentateilpixel 5M und Gelb für die Gelbteilpixel 5Y ist. Wie bereits erwähnt, können bei der Erfassungsschicht 3 die Teilpixel derart ausgerichtet sein, dass ein beliebiges gegebenes Teilpixel von benachbarten Teilpixeln umgeben ist, die eine andere Farbe des Farbfilters aufweisen, wie es durch Pfeile 36 veranschaulicht ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, wie es in 10 veranschaulicht ist, bei der Erfassungsschicht 3 jedes Teilpixel 5 positioniert, um eine Symmetrie zwischen benachbarten Teilpixeln 5 herzustellen, so dass ein geradliniger Bilddurchlauf in einer horizontalen Richtung, wie es durch Pfeile 37 gezeigt ist, über horizontal benachbarte Teilpixel 5 zu einem kompletten Überqueren der Teilpixel 5 führt, die das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster aufweisen. Die Pfeile 37 zeigen, dass ein geradliniger Bilddurchlauf in der horizontalen Richtung zu einem sequentiellen Überqueren der horizontal benachbarten Teilpixel 5 führt, die eine Farbe von dem Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster aufweisen. Obwohl die Pfeile 37 einen geradlinigen Bilddurchlauf in der horizontalen Richtung zeigen, würde, wenn die Erfassungsschicht 3 um 90° gedreht wird, ein vertikaler geradliniger Bilddurchlauf auch ein sequentielles Überqueren von vertikal benachbarten Teilpixeln 5 vornehmen, die das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster aufweisen.
Ein geradliniger Bilddurchlauf in einer ersten diagonalen Richtung, wie es durch Pfeile 38 gezeigt ist, über diagonal benachbarte Teilpixel 5 in der Erfassungsschicht 3 führt zu einem kompletten Überqueren der diagonal benachbarten Teilpixel 5, die das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster aufweisen. Auf ähnliche Weise führt ein geradliniger Bilddurchlauf in einer zweiten diagonalen Richtung, wie es durch Pfeile 40 gezeigt ist, von diagonal benachbarten Teilpixeln 5 zu einem kompletten Überqueren der diagonal benachbarten Teilpixel 5, die das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster aufweisen. Obwohl 10 die Teilpixel 5 so darstellt, dass dieselben eine hexagonale Form aufweisen, kann die Form der Teilpixel 5 eine beliebige nicht-rechteckige Form sein, z. B. kann die Form der Teilpixel 5 kreisförmig sein. Ferner ist das Farbmuster für die Erfassungsschicht 3 nicht auf das Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster beschränkt.
11 veranschaulicht die Verwendung eines Gleichverteilungs-CMY-Farbmusters für die Erfassungsschicht 3. Wie bereits erwähnt, führen der geradlinige Bilddurchlauf in der horizontalen Richtung, wie derselbe durch Pfeile 37 gezeigt ist, der geradlinige Bilddurchlauf in der ersten diagonalen Richtung, wie derselbe durch Pfeil 38 gezeigt ist, und der geradlinige Bilddurchlauf in der zweiten diagonalen Richtung, wie derselbe durch Pfeil 40 gezeigt ist, zu einem sequentiellen Überqueren von benachbarten Teilpixeln 5 in ihren jeweiligen geradlinigen Richtungen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst, wie es in 12 veranschaulicht ist, ein Pixel 30, das dick umrandet gezeigt ist, drei der Teilpixel 5. Die Farbe des Farbfilters ist die gleiche für zumindest zwei der drei Teilpixel 5 in dem Pixel 30. Bei der Erfassungsschicht 3 sind die Pixel 30 so positioniert, dass ein geradliniger Bilddurchlauf in der horizontalen Richtung zu einem sequentiellen Überqueren von horizontal benachbarten Teilpixeln 5 führt, die das RGB-Farbmuster aufweisen, wie es durch Pfeile 37 gezeigt ist. Auf ähnliche Weise führt ein geradliniger Bilddurchlauf in der vertikalen Richtung zu einem sequentiellen Überqueren von vertikal benachbarten Teilpixeln 5, die das RGB-Farbmuster aufweisen, wenn die Erfassungsschicht 3 um 90° gedreht wird.
Ein diagonaler geradliniger Bilddurchlauf in einer ersten Richtung, wie er durch Pfeile 43 gezeigt ist, führt nicht zu einem sequentiellen Überqueren von diagonal benachbarten Teilpixeln 5, die das RGB-Farbmuster aufweisen. Stattdessen zeigen die Pfeile 43, dass der Durchlauf in der ersten Richtung nur die diagonal benachbarten Teilpixel 5 überquert, die die gleiche Farbe des Farbfilters aufweisen. Diese Konfiguration der Pixel 30 und ihrer jeweiligen Teilpixel 5 kann bei Anwendungen, wie z. B. Video, nützlich sein, bei denen die Ausgangssignale von den diagonal benachbarten Rotteilpixeln, den diagonal benachbarten Grünteilpixeln und den diagonal benachbarten Blauteilpixeln als eine Gruppe verarbeitet werden können, um RGB-Daten von einem Bild abzuleiten. Jeder Pfeil 43 ist parallel zu einem benachbarten Pfeil 43, derart, dass die Gruppe Rot-, Grün- und Blauteilpixel in einer parallelen Ausrichtung umfasst, die ein RGB-Farbmuster bilden.
Andererseits führt ein diagonaler geradliniger Bilddurchlauf in einer zweiten Richtung, wie er durch Pfeile 41 gezeigt ist, zu einem sequentiellen Überqueren von diagonal benachbarten Teilpixeln 5, die das RGB-Farbmuster aufwei sen. Obwohl das RGB-Farbmuster dargestellt ist, kann ein beliebiges Farbmuster verwendet werden, wie z. B. das CMY-Farbmuster. Optional können alle Teilpixel 5 bei den Pixeln 30 die gleiche Farbe des Farbfilters aufweisen. Die Pixel 30 können in der Erfassungsschicht 3 positioniert sein, um eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Farbmustern zu implementieren. Obwohl 12 das Teilpixel 5 so darstellt, dass dasselbe eine hexagonale Form aufweist, kann die Form des Teilpixels 5 eine beliebige nicht-rechteckige Form sein, z. B. kann die Form des Teilpixels 5 kreisförmig sein.

Claims

Ein Bildsensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Halbleitersubstrat, das eine Ausleseschicht (17) liefert, die eine Mehrzahl von Auslesezellen (20) umfasst, die darin in Zeilen angeordnet gebildet sind, wobei jede Zeile Auslesezellen (20) aufweist, die positionsmäßig bezüglich der Auslesezellen in einer benachbarten Zeile versetzt sind; ein dielektrisches Material, das auf der Ausleseschicht (17) gebildet ist, in dem eine Mehrzahl von Hohlräumen (6) gebildet ist, die in einer hexagonalen Gitteranordnung angeordnet und in Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Auslesezellen positioniert sind, wobei ein Abschnitt jedes der Hohlräume eine Öffnung in Kommunikation mit einem Signaleingang (24) einer der Auslesezellen umfasst; eine Erfassungsschicht (3), die eine Amorphsilizium-PIN-Photodiode (7) aufweist, die in jedem Hohlraum angeordnet und wirksam ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das Licht anzeigt, das auf diese PIN-Photodiode auftrifft; eine Verbindung (21), die in der Öffnung jedes Hohlraums angeordnet und wirksam ist, um elektrisch das Ausgangssignal von der PIN-Photodiode zu dem Signaleingang (24) der Auslesezelle zu übermitteln; eine vorgespannte optisch durchlässige Elektrode (9), die an der PIN-Photodiode angeordnet und wirksam ist, um die PIN-Photodiode vorzuspannen und zu ermöglichen, dass Licht, das auf die Elektrode auftrifft, auf die PIN-Photodiode abgebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärker (70) in jeder Auslesezelle in elektrischer Kommunikation mit dem Signaleingang (24) angeordnet ist und einen Verstärkerausgang (79) umfasst, an dem eine verstärkte Version des Ausgangssignals geliefert wird; wobei jede PIN-Photodiode und durchlässige Elektrode zusammen ein Teilpixel (5) definieren.
Ein Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Form der Teilpixel (5) hexagonal, gleichseitig hexagonal oder kreisförmig ist.
Ein Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes Teilpixel (5) eine undurchlässige optische Abschirmungsschicht (23) umfasst, die wirksam ist, um zu verhindern, dass Licht, das auf die PIN-Photodiode auftrifft, auf die Ausleseschicht (17) auftrifft.
Ein Sensor gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem drei Teilpixel oder drei Auslesezellen in einer Dreieckkonfiguration angeordnet sind, um ein Pixel (30) zu definieren.
Ein Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verstärker folgende Merkmale aufweist: einen Auswähleingang (77), der wirksam ist, um den Verstärkerausgang zu aktivieren, wobei das verstärkte Ausgangssignal mit dem Verstärkerausgang kommuniziert, wenn der Auswähleingang aktiviert ist; einen Anschluss in Kommunikation mit einer Rücksetzspannung (75); und einen Rücksetzeingang (73), der wirksam ist, um den Verstärkerausgang auf die Rücksetzspannung zu setzen.
Ein Sensor gemäß Anspruch 5, bei dem die Ausleseschicht (17) folgende Merkmale aufweist: einen schlangenförmigen Bus (89), der an der Ausleseschicht (17) gebildet ist und die Zeilen der Ausleseschicht schneidet; und einen Treppenstufenbus (90), der an der Ausleseschicht (17) gebildet ist und die Zeilen der Ausleseschicht schneidet, wobei der schlangenförmige Bus und der Treppenstufenbus wirksam sind, um Signale zwischen den Auslesezellen und der Ausleseschicht zu übermitteln.
Ein Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem die Zeilen der Ausleseschicht folgende Merkmale aufweisen: ein Verbindungsmuster (92) eines ersten Typs, das an den Auslesezellen einer ersten Zeile gebildet ist, das eine C-förmige Verbindung (81) und eine erste L-förmige Verbindung (85) umfasst; und ein Verbindungsmuster (94) eines zweiten Typs, das an den Auslesezellen einer zweiten Zeile gebildet ist, die zu der ersten Zeile benachbart ist, das eine zweite L-förmige Verbindung (83) und eine dritte L-förmige Verbindung (87) umfasst; wobei die C-förmige Verbindung (81) sich in elektrischer Kommunikation mit der zweiten L-förmigen Verbindung (83) befindet, was den schlangenförmigen Bus (89) liefert, und wobei die erste L-förmige Verbindung (85) sich in elektrischer Kommunikation mit der dritten L-förmigen Verbindung (87) befindet, was den Treppenstufenbus (90) liefert.
Ein Sensor gemäß Anspruch 7, bei dem der schlangenförmige Bus (89) sich in elektrischer Kommunikation mit dem Verstärkerausgang befindet und der Treppenstufenbus (90) sich in elektrischer Kommunikation mit der Rücksetzspannung befindet.
Ein Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungsschicht (3) folgende Merkmale aufweist: ein Infrarotfilter (27), das benachbart zu der Elektrode (9) positioniert und wirksam ist, um die Absorption von Infrarotrauschen von dem Licht, das auf das Teilpixel auftrifft, zu dämpfen; und/oder eine Mikrolinse (29), die benachbart zu dem Teilpixel (5) angeordnet und wirksam ist, um auftreffendes Licht auf das Teilpixel zu fokussieren.
Ein Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungsschicht eine Filterschicht (25) aufweist, die benachbart zu der Elektrode (9) positioniert und wirksam ist, um eine ausgewählte Wellenlänge von Licht von dem Licht, das auf das Teilpixel auftrifft, durchzulassen; wobei der Sensor bevorzugt eines oder mehr der folgenden Merkmale umfasst: (a) die Filterschicht ist ein Farbfilter mit einer vorbestimmten Farbe; (b) drei Teilpixel (5) bilden ein Pixel, und die Farbe des Filters ist für zumindest zwei der Teilpixel bei dem Pixel die gleiche; (c) die Wellenlänge des Filters für ein beliebiges gegebenes Teilpixel unterscheidet sich von der Wellenlänge des Filters eines beliebigen benachbarten Teilpixels; (d) die Farbe des Filters ist aus der Gruppe ausgewählt, die Rot, Grün, Blau, Cyan, Magenta und Gelb umfasst; (e) die Farben der Filter für benachbarte Teilpixel definieren ein Gleichverteilungs-RGB-Farbmuster, und die Farben der Filter sind aus der Gruppe ausgewählt, die Rot, Grün und Blau umfasst; (f) die Farben der Filter für benachbarte Teilpixel definieren ein Gleichverteilungs-CMY-Farbmuster, und die Farben der Filter sind aus der Gruppe ausgewählt, die Cyan, Magenta und Gelb umfasst; und (g) die Teilpixel sind so positioniert, dass ein geradliniger Bilddurchlauf durch benachbarte Teilpixel zu einem sequentiellen Überqueren der Teilpixel führt, die ein RGB- oder CMY-Farbmuster aufweisen.