JP5047451B2 - 感度およびビデオインターフェイスとの互換性が向上した、垂直カラー受光器 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には画素アレイ技術に関する。さらに詳細には、本発明は、色に対する感度および、従来のビデオシステムと互換性のあるビデオインターフェイスが向上した垂直受光器に関する。

イメージセンサは通常、デジタルカメラのような様々なアプリケーションで用いられている。イメージセンサは、アレイとして配設されている複数の画素センサを含む。光はスキームから反射され、イメージセンサに受け取られる。イメージセンサは、アレイ内の各画素センサに、光の強度レベルに対応する大きさの信号出力を提供する。

従来のカラーイメージセンサは、アレイ内にセルとして配設されている３つのセンサ要素を含む。したがって、各センサは赤色信号を提供する第１センサ要素、緑色信号を提供する第２センサ要素、そして青色信号を提供する第３センサ要素を含む。各センサ要素は、その素子の表面の上に配設されているカラーフィルタを含む。例えば、赤色フィルタは第１センサ要素の上に配設されており、緑色フィルタは第２センサ要素の上に配設されており、そして青色フィルタは第３センサ要素の上に配設されている。各センサ要素からの信号が、イメージセンサから検出したカラー信号に対応するように、フィルタは、他の色を遮断する。

本発明は、従来の受光セルに比べ、感度が向上した改良された垂直受光セルに関する。改良された垂直受光セルは、隣接する改良された受光セルから光子キャリアを収集するように構成されており、各色に関連するセンサ領域の有効範囲が増加する。

本発明の実施形態によると、イメージセンサの画素セルは第１垂直受光セルおよび第２垂直受光セルを含む。第１垂直受光セルはイメージセンサ内の第１位置の近くに配設されている。第２垂直受光セルはイメージセンサ内の第２位置の近くに配設されている。第２位置は第１位置に隣接している。第１受光領域は、第１垂直受光セルおよび第２垂直受光セル内に位置しており、そして第１色に実質的に対応する光を検出するために配設されている。第１受光領域は第１位置に第１の幾何学的な中心を有する。第２受光領域は第２垂直受光セル内に位置しており、そして第２色に実質的に対応する光を検出するために配設されている。第２受光領域は第２位置に第２の幾何学的な中心を有する。
本発明の他の特徴によると、第１色は赤、緑、および青のうちの一色でよく、第２色は赤、緑、および青のうちの別の一色でよい。

本発明の他の特徴によると、第１受光領域は第１平面内にあり、第２受光領域は第１平面とは異なる第２平面内にある。第１受光領域は第２受光領域と交差しない。実施形態の１つによると、第１平面は第２平面の上に位置してよく、第１受光領域のほうがイメージセンサの表面に近接している。第１受光領域は、第１受光領域からイメージセンサの表面に及んでいる電気的接触子を介して信号を供給するように配設されていてよい。他の実施形態によると、第１平面は第２平面の下に位置し、第２受光領域のほうがイメージセンサの表面に近接している。第１受光領域は、第２受光領域に接触することなく、第１受光領域からイメージセンサの表面に及んでいる電気的接触子を介して信号を供給するように配設されていてよい。

本発明による他の実施形態では、第３垂直受光セルがイメージセンサ内の第３位置に配設されている。第３位置は、第１位置および第２位置に隣接している。第３受光領域は第３垂直受光セル内に配設されている。第３受光領域は第３色に実質的に対応する光を検出するために配設されている。第３受光領域は、第３位置に第３の幾何学的な中心を有する。画素セルはまた、イメージセンサ内の第４位置に配設される第４垂直受光セルを備えてよい。第４の位置は第１、第２、第３および第４位置に隣接している。第４受光領域は第４垂直受光セル内にある。第３受光領域は、実質的に第３色に対応する光を検出するために配設されている。第４受光領域は第４位置に第４の幾何学的中心を有する。第１、第２、第３および第４の垂直受光セルはセンサセルを画定するグループとして配設されていてよい。

さらに本発明の他の実施形態において、イメージセンサは画素セルのアレイとして配設されている。イメージセンサは第１、第２、第３および第４センサを含む。第１センサは、波長が第１波長にほぼ一致する光に対して感度がある。第１センサはアレイ内の第１画素位置を中心とする。第２センサは波長が第２波長にほぼ一致する光に対して感度がある。第２センサはアレイ内の第２画素位置を中心とする。第３センサは波長が第３波長にほぼ一致する光に対して感度がある。第３センサはアレイ内の第３画素位置を中心とする。第４センサは波長が第３波長にほぼ一致する光に対して感度がある。第４センサはアレイ内の第４画素位置を中心とする。センサ材料は第１センサ、第２センサ、第３センサおよび第４センサからから選択された１つのセンサに関連する。センサ材料は、中心部分および拡張部分を有する。中心部分は、垂直受光セル内に配設されている。拡張部分は、前記垂直受光セルに隣接する他の垂直受光セル内に配設されている。隣接する垂直受光セルから光子キャリアを収集して選択したセンサの感度が上がるように、中心部分と拡張部分は連結している。
本発明の、他の特徴によると、画素セルのアレイは第１、第２、第３および第４の代替パターンのセットを含む。第１および第３センサの第１代替パターンは、画素セルから第１方向に沿って延びている。第１および第４センサの第２代替パターンは、画素セルから第２方向に沿って延びている。第２および第３センサの第３代替パターンは、画素セルから第１方向に沿って延びている。第２および第３センサの第４代替パターンは、画素セルから第２方向に沿って延びている。

本発明の、更に他の特徴によると、センサのうちから１つ選択したセンサは、センサ材料の中心部分および拡張部分により画定される成形されたパターンに構成される。該成形されたパターンは、アレイ内の画素を実質的に中心とする四角形でよい。成形されたパターンは、アレイ内の画素の周りで４５度の角度をなしてよい。成形されたパターンは、第１波長に関連する色について約１００％の充てん率を有するセンサを生成してもよい。成形パターンは、センサ材料の中心に直交する軸に沿って延びているセンサ材料の拡張部分を有してよい。選択されたセンサ材料は、アレイ内の画素に関連する領域の実質的に３倍の効果的な領域を有してよい。
またさらに本発明の他の特徴によると、センサのグループは、第２波長にほぼ一致する波長の光に感度がある第５センサを含む中心部分の輪郭を形成する。第５センサは、中心部分に入射した第２波長に関連する光により生じた光子キャリアを排出するように構成されている。

また他の例では、イメージセンサは、光子キャリアを収集するための第１手段、第２手段および第３手段を有する。光子キャリアを収集するための第１手段は、第１光子キャリアを第１垂直受光セルから集めるように構成されている。第１光子キャリアは第１色に関連している。光子キャリアを収集するための第２手段は、第１垂直受光セルに隣接して配設されている第２垂直受光セルから第２光子キャリアを集めるように構成されている。第２光子キャリアは、第２色に関連している。光子キャリアを収集するための第３手段は、第１光子キャリアを第２垂直受光セルから集めるように構成されている。垂直受光セルおよび隣接する垂直受光セルからの第１色に関連する光子キャリアをまとめて、センサの第１色に関する感度を向上させるために、連結手段が、光子キャリアを収集するための第２手段から収集された第１光子キャリアを、光子キャリアを収集するための第１手段から収集された第１光子キャリアに連結するように構成されている。
本発明およびその改良発明について、簡単な説明が以下にある添付の図面、本発明の好適な実施形態について述べた以下の詳細な記述、および添付の請求項を参照するとより詳細が理解できる。

明細書、および請求項において、「接続している」というのは接続している物体が、中間装置なしに直接電気的に接続していることを意味する。「連結している」というのは、接続している物体が直接電気的に接続していること、または１つ以上の受動または能動中間装置を介して間接的に接続していることを意味する。「回路」なる用語は、連結して所望の機能を提供する、能動または受動の１つまたは複数の構成部品を意味する。

従来のデジタルビデオプロセッサ（ＤＶＰ）は、赤色、緑色および青色信号のうちの１つを様々な時間において選択的に読み取ることにより、カラー読み取りラインを処理するために配設されている。言い換えれば、センサアレイ内の画素に関連する１色が１度に処理される。本発明によると、改良された画素センサアレイは従来のＤＶＰと互換性のあるインターフェイスを含む。改良された画素センサアレイは、画素センサアレイ内では画素と呼ばれている垂直受光セルを含む。各受光セルの感度および充てん率は、従来の受光セルに比べて向上する。また、後述するように、各受光セル内の有害なエイリアシング効果は低減する。
本発明はイメージセンサ内に用いられる、改良された垂直受光セルに関する。改良されたセンサ内の既定の色に関するセンサ材料は、隣接するセルからの光子キャリアがまとめられるように、隣接する改良されたセンサ内の同じ色に関するセンサ材料に連結している。センサ材料が連結されると、既定の色に対するセンサ領域が増加する。センサ内の各画素に関するセンサ領域が増加すると、各色に対する感度と充てん率が向上する。イメージセンサアレイ内には、各色の面がパターンでならぶように垂直受光セルが配設されている。パターン内の各センサは中心部分と拡張部分を有する。中心部分および拡張部分はそれぞれアレイ内の画素に関する幾何学的な中心の周りに位置している。

図１は、本発明に用いてもよい垂直受光器の例示的な横断面図である。垂直受光セルは領域１２０にｎタイプ材料、領域１３０にｐタイプ材料を備える。ＰＤ１−ＰＤ５に示したように、フォトダイオードはｎタイプ材料（１２０）とｐタイプ材料（１３０）の境界に形成される。
操作中、各ｐタイプ材料領域は、回路の接地線に連結されており、一方でｎタイプの材料領域はそれぞれ他の回路（１９０）に連結されている。受光器は光（１５０）を表面１１０の中心部分で受光し、一方で表面（１１０）の他の部分を覆うために、遮光部材（１４０）が配設されている。各フォトダイオードは光に対して感度がある。光に伴うエネルギーは、特定の各フォトダイオードが受光した光の強さのレベルに比例した量の光電流がフォトダイオード（ＰＤ１−ＰＤ５）内を流れるように、シリコン材料に吸収される。各フォトダイオードは半導体材料内で、光の特定の波長に対応する深さに配置されている。例えば、フォトダイオードＰＤ１は青い光の波長の光に感光し、フォトダイオードＰＤ２およびＰＤ３は緑の光の波長の光に感光し、フォトダイオードＰＤ４およびＰＤ５は赤い光の波長の光に感光する。

回路１９０は、各セットがトランジスタ１２、１４および１６を備えるトランジスタのセットを３セット備える。回路（１９０）の動作は３段階から成る。動作の第１段階はリセット段階で、様々な接続点の電位が初期化される。動作の第２段階は統合段階で、露光時間間隔の間に光電流が統合されるように、光が受光セルの表面に当たる。動作の第３段階は読み取り段階で、統合段階からの信号レベルが、処理のための他の回路（例えばＤＶＰ）へ提供される。読み取りライン１６０、１７０および１８０は、センサに関連する赤、緑および青の強度レベルの読み取りラインに対応する。回路１９０の動作は、単一のフォトダイオードに関して下記でさらに詳細に説明する。

図２は本発明にしたがって配置された画素アレイの例示的な画素セル（２００）の略図である。画素セルは３つのトランジスタを含み、そして以下３−Ｔ画素セルと呼ぶ。３−Ｔ画素セルはフォトダイオード（ＰＤ２０）および３つのＮＭＯＳトランジスタ（２０２、２０４、２０６）を含む。
トランジスタ２０２は、ＲＥＳＥＴ信号に連結しているゲート、高出力電源（ＶＣＣ）に連結しているドレイン、および接続点１０でフォトダイオードに連結しているソースを有する。該フォトダイオードは、接続点１０に連結しているカソードと、低出力電源（ＧＮＤ）に連結しているアノードを有する。トランジスタ２０４は、接続点１０に連結しているゲート、接続点１２に連結しているソース、および高出力電源（ＶＣＣ）に連結しているドレインを有する。トランジスタ２０６は、ＳＥＬＥＣＴ信号に連結しているゲート、列読み取りラインに連結しているソース、そして接続点１２に連結しているドレインを有する。トランジスタ２０２はＲＥＳＥＴ信号により動作されたとき、画素セルをリセットするために配設されている。トランジスタ２０４は、接続点１０からの電圧を緩衝するソース・フォロワとして動作する。トランジスタ２０６は、ＳＥＬＥＣＴ信号により動作されたとき、ソース・フォロワ（トランジスタ２０４）の出力と列読み取りラインを連結させるために配設されている。
３−Ｔ画素セルの一般的な動作は次の通りである。正のバイアス電圧がフォトダイオードＰＤ２０のカソードに印加されるように、正のパルスがトランジスタ２０２のゲートに印加される。フォトダイオードは、フォトダイオードに電圧が印加されている間に電荷が蓄えられる、固有障壁容量（Ｃｄ）を有する。トランジスタ２０２がオフになっても、フォトダイオードＰＤ２０は、その障壁容量（Ｃｄ）に蓄えられた電荷のために、前記正のバイアス電圧にバイアスがかかったままである。光電流（Ｉｐ）は、フォトダイオードが光子（光）を受けたときに、フォトダイオードのカソードからアノードに流れる。光電流（Ｉｐ）はフォトダイオードの障壁容量（Ｃｄ）を放電し、そしてフォトダイオードＰＤ２０の電圧を降下させる。

画素セル２００の接続点１０には浮遊容量および寄生容量（Ｃｐ）が生じる。浮遊容量および寄生容量（Ｃｐ）は、トランジスタ２０４（ソース・フォロワ）のゲートからの寄生容量とトランジスタ２０２（リセットトランジスタ）のソースからの寄生容量により実質的に決まる。最初にフォトダイオードに印加されるバイアス電圧は容量ＣｐとＣｄの組み合わせに蓄えられる。
光電流（Ｉｐ）は、統合時間（Ｔｉ）の間に、寄生容量（Ｃｐ）と一緒に障壁容量（Ｃｄ）に統合される。コンデンサに統合される全電荷は、Ｉｐ＊Ｔｉで決定される。統合間隔の最後に、フォトダイオードの出力電圧（Ｖｄ）は、Ｖｓ＝Ｉｐ＊Ｔｉ／（Ｃｄ＋Ｃｐ）で決定される量（Ｖｓ）だけ低減する。したがって、フォトダイオードの出力電圧（Ｖｄ）は、Ｖｄ＝Ｖｉ―Ｖｓ、ここでＶｉはフォトダイオードに光を当てる前にコンデンサＣｄに蓄えられていた最初の電圧、により決定される。Ｖｓは、受光した光の強度（Ｉｐ）、および露光時間（Ｔｉ）の長さに関連しているので信号電圧と呼ばれている。

出力電圧（Ｖｄ）は、接続点１２における信号が（Ｖｄ―Ｖｔ）、ここでＶｔはトランジスタ２０３のスレショルド電圧、に対応するように、ソース・フォロワを動作させるトランジスタ２０４のゲートに印加される。トランジスタ２０６のソースで、読み取り電圧（Ｖｄ−Ｖｔ）が列読み取りラインに連結されるように、ＳＥＬＥＣＴ信号を介して正のパルスがトランジスタ２０６（ＳＥＬＥＣＴトランジスタ）のゲートに印加される。列読み取りラインは、オフセット電圧により、フォトダイオードの出力電圧（Ｖｄ）に関連している読み取り電圧を受ける。オフセット電圧は、トランジスタ２０４の閾値電圧（Ｖｔ）に対応する。

改良された垂直受光セル
受光セルは、近くの受光セルに隣接するように配設されている。センサアレイ内の各画素は、３つの受光セル、各色（例えばＲＧＢ）に１つずつ、を備える。垂直受光セルはある色の信号（例えば赤）を提供するために、また隣の受光セルは他の色の信号（例えば緑）を提供するために配設されている。
光電流は対応するフォトダイオードに入射光が受光されると各受光セルで発生する。受光セルに当たった入射光の３分の１が直ちにその画素（１色に対応している）で用いられ、一方で入射光の３分の２はその画素に関係がない（他の２色）。各受光セルにおいて、指定色に対する感度は、隣接する画素からの指定色に関する光電流を用いることにより、向上する。図３を参照しながら、改良された垂直受光セルについて、次に述べる。

図３に示した、改良された受光セルは２つの隣接する画素を示している。各画素は、青色感応領域（３２０）、緑色感応領域（３３０）、赤色感応領域（３４０）、および垂直受光器からの信号を処理するために配設されている電子回路（３１０）を有する垂直受光セルを含む。１つの例では、赤色および青色感応フォトダイオードが埋め込まれている。埋め込まれたフォトダイオードには、打ち込まれた「プラグ」を用いてデバイスの表面から接触可能である。青色デバイスはシリコンの表面に打ち込まれている。対応する色に応じて、入射光により生成された光子キャリアを収集するために、フォトダイオードが配設されている。
図３の左半分にある画素は赤色信号（Ｒ１）を処理するために、図３の右半分にある画素は緑色信号（Ｇ１）を処理するために配設されている。図の右側の赤色感応ダイオードは、図の左側の赤色感応ダイオードにつながっている。赤色画素のための電子回路（３１０）は緑色画素（右側）により収集された赤色光子を検出する。同様に、図の左側の緑色感応フォトダイオードは図の右側の緑色感応フォトダイオードにつながっている。緑色画素のための電子回路（３１０）は、赤色画素（左側）により収集された緑色光子を検出する。充てん率および各色に対する感度は、隣接する画素からの光子を収集することにより、イメージセンサで向上する。

図３に示した各フォトダイオード領域は、はめ込み方法（例えば青色のハッシュパターン）を含む単純化した略図で、様々なフォトダイオード領域を示している。しかし、影の付いた各部分は、実際には、ｐタイプおよびｎタイプ半導体材料の接合部として画定される（図１参照）。ある例では、はめ込まれた領域は画定された領域内に打ち込まれたｎタイプ材料として表され、ｐタイプ材料が各nタイプ材料領域を分けている。この例の場合、ｎタイプ接触プラグはデバイスの表面から、埋め込まれた被接触領域へと延びている。
図３の点線領域（３３２）で示したように、図３に示した緑色フォトダイオード領域は、赤色フォトダイオードのための接触プラグと交差できない。隣接する垂直セルからの緑色ダイオード材料間の接続は、後述するように３次元の空間で行われる。同様に、隣接する垂直セルからの青色フォトダイオード材料間の接続は、緑色および赤色フォトダイオードの接触プラグ（図示されていない）と交差できない。

画素センサアレイ構成
図４に画素センサアレイを示した。画素センサアレイは複数の行と列から構成される。アレイ内の各画素は図１から図３に示したようは垂直受光セルに対応するカラーセンサである。
同じ色を感知する垂直受光セルが１つおきに並ぶように、画素センサアレイは配設されている。例えば第１行目は、センサは赤色センサ（Ｒ）そして次に緑色センサ（Ｇ）の繰り返しパターンで配設されている。第１列を見ると、センサは赤色センサ（Ｒ）そして次に緑色センサ（Ｇ）の繰り返しパターンで配設されている。第２列をみると、センサは緑色センサ（Ｇ）そして次に青色センサ（Ｂ）の繰り返しパターンで配設されている。

各センサセルで３色が処理されるので、４つの画素の各グループはｘ−ｙ座標格子上の共通の中心位置を画定する。図４に示したように、４つの垂直受光セルから成る各グループは赤色センサ（Ｒ）を１つ、緑色センサ（Ｇ）を２つ、青色センサ（Ｂ）を１つ含む。センサセルは、図４から図６に示したようなイメージセンサアレイを形成するために、パターンで繰り返すことができる。
センサの４画素グループ（ＲＧＧＢ）は、図４のセンサアレイにおいて共通の位置の近くに配設されている。青色センサおよび緑色センサの領域で受光される赤色光は無視されるので、４画素グループの全領域の４分の１（２５％）のみが該画素位置で赤色光を検出する。青色センサおよび赤色センサの領域で受光される緑色光は無視されるので、４画素グループの全領域の４分の２（５０％）のみが該画素位置で緑色光を検出する。緑色センサおよび赤色センサの領域で受光される青色光は無視されるので、４画素グループの全領域の４分の１（２５％）のみが該画素位置で青色光を検出する。充てん率は、特定の画素位置でのセンサの感度の目安である。図４に示した画素位置の充てん率は、赤色充てん率２５％、青色充てん率２５％、緑色充てん率５０％である。

図４に示した４画素グループ（ＲＧＧＢ）の配置は、通常「ベイヤーパターン」と呼ばれている。本発明とは異なり、従来のベイヤーパターンセンサアレイは、カラーフィルタを用いている。しかし、従来のＤＶＰを利用して、ベイヤーパターンで配置された垂直受光セルからの情報を容易に処理できる。
使用されなかった近隣の垂直受光セルからの光電流を再生することにより、改良された垂直受光セルでは、図４で用いたパターンは変更される。各カラーセンサの領域は図５および図６で示した２つの要因のために増加する。

性能が向上した画素センサアレイパターンの例
図５は、図４の各カラーセンサの領域を増加させるために用いてもよい、例示的な画素センサパターンを示している。図は３つの画素センサパターン（５１０−５３０）を含み、各々当該画素上に重ねられたパターン（５４０−５６０）またはテンプレートを有する。
アレイ５１０は図４の画素センサアレイを表しており、アレイの上から重ねられた緑色センサのためのテンプレートのサイズが大きくなっている。センサ領域５４０の境界領域は、緑色センサのｎタイプ材料に対応する（図２参照）。パターン５４０内の黒い実線で示したのは各緑色センサ間の境界を示し、緑色センサ材料間の隙間を示している。パターン５４０の格子の交点は、各緑色画素センサの中心位置を示しており、それは実質的に図４の緑色画素センサの中心位置に対応する。パターン５４０は、緑色画素センサの中心に対して４５度回転させた四角い領域のセットということがわかる。

アレイ５２０および５３０は、それぞれ赤色および緑色センサのテンプレートのサイズが大きくなっている、図４の画素センサアレイを示している。センサ領域のこれらのテンプレートは、アレイ上に重ねられる。赤色センサはセンサ領域５５０で示したように増加している。青色センサはセンサ領域５６０で示したように増加している。センサ領域５５０および５６０の境界のあるそれぞれの領域は、赤色センサおよび青色センサにおけるｎタイプ材料に対応する（図２参照）。パターン５５０および５６０の黒い太い実線はそれぞれ赤色センサおよび青色センサの間の境界線を示し、センサ材料の隙間を表す。パターン５５０および５６０の格子の交差点は、それぞれ赤色画素センサおよび青色画素センサの中心位置を示しており、それは実質的に図４の画素センサの中心位置に対応する。パターン５５０および５６０は、中心部分および拡張部分を含む交差タイプのパターンであることがわかる。中心部分は、画素センサの中心部分の近くに位置する。拡張部分は、中心部分から外向きに延びている部分である。図５に示した例では、拡張部分は、中心四角領域から縦方向に外向きに直交する方向で（例えばｘ軸およびｙ軸に沿って）プラス記号（＋）のような状態で延びている。

パターン５４０は、四角領域として示しているが、他のパターンもまた満足のいく性能を提供することができるはずである。例えば、円形、楕円形、長方形、および他の多角形領域を緑色センサとして用いてよい。１つの例では、パターン５４０は、六角形のパターンの連続として配設されていてよい。全パターンの組み合わせに関して、領域の充てん率とカラーバランスを最適化できる。
各センサについて、領域が増加されるとイメージセンサ内のカラーバランスを提供するために調整することができる。一例では、緑色センサは、領域が増加しており、従来のベイヤーパターンの緑色センサに比べて、約２倍の領域を有する。緑色センサの領域がそのように増加すると、充てん率が向上すると共に感度が向上する（例えば、従来のベイヤーパターンの緑色センサでは５０％だった充てん率が１００％の充てん率になる）。他の例では、赤色および／または青色センサの領域が従来のベイヤーパターンにおける赤色または青色センサのセンサ領域に比べて約３倍になっている。赤色および／または青色センサの領域がそのように増加すると、充てん率が向上すると共に感度が向上する（例えば従来のベイヤーパターンの赤色および青色センサでは２５％であった充てん率が７５％の充てん率になる）。充てん率および感度の調整は、必要となる様々な形状／大きさのパターンを用いることにより調整することができる。

図６は、例示的なアレイにおけるパターン５４０から５６０の位置について示している。図６１０は上から見た図、図６２０は下から見た図である。それぞれの図は、生じた画素アレイのためのｘ−ｙ座標系を示す格子線を含んでいる。図は半導体内のセンサの３次元の深度および位置を示し、各層は材料内の異なる深度を示す。
上から見た図（６１０）に示すように、青色センサは最も高い平面に位置し（ページの表面に最も近い）、一方で赤色センサは最も低い平面に位置する。パターン５６０において、青色センサの充てん率は１００％でなく、そして位置５８０に空の空間がある。一例では、該空の空間は、位置５８０に入射した青色光により生じた光子キャリアを排出するために構成されたフォトダイオードを含むことができる。位置５８０における例示的なフォトダイオードは、位置５８０に入射する光子キャリアが、パターン５６０により外形が規定されているセンサ領域内に拡散するのを防ぐ。拡散した光子キャリアはイメージ内に誤りのある位置を生じさせることがある。
下から見た図（６２０）に示したように、赤色センサは最も高い面に配設されており（図のページの表面に最も近い）、一方で青色センサは最も低い面に配設されている。赤色センサは、パターン５７０において充てん率は１００％ではなく、そして位置５８０に空の空間がある。一例では、該空の空間は、位置５８０に入射した赤色光により生じた光子キャリアを排出するために構成されたフォトダイオードを含むことができる。位置５８０における例示的なフォトダイオードは、位置５８０に入射する光子キャリアが、パターン５６０により外形が規定されているセンサ領域内に拡散するのを防ぐ。

改良された垂直受光セルは、図の格子線で示されているｘ−ｙ座標系に沿ったアレイとして形成されている。生成されたアレイの中心位置は、実質的に従来のセンサアレイの中心位置と同じである。アレイ内の各センサの中心位置を同じに維持することにより、生成されたイメージデータに、従来のイメージアルゴリズム（例えばカラー補間）を行ってよい。
改良された受光セルでは、各色について全センサ領域において隣接するセルからの追加の光子キャリアが含まれるので、改良された垂直受光器の感度は従来のセンサアレイの感度にくらべて向上する。一例では、改良された垂直受光セルにおいて、ある色についてのセンサ領域は、２つの要因により増加する。他の例では、改良された垂直受光セルにおいて、ある色についてのセンサ領域は、３つの要因により増加する。カラーバランスは、垂直受光セル内のセンサ領域を変えることにより調節できる。

変調伝達関数（ＭＴＦ）は、正弦波パターンがイメージシステム内をどのように伝わるかを表す関数である。通常ＭＴＦが大きくノイズが少ないと、高いイメージ品質が観測される。改良された垂直受光セルにおいて、センサ領域が増加すると、使用しているイメージセンサに関するＭＴＦが減少する。ＭＴＦが減少すると、カラーイメージ（例えば赤、青、緑）に特有の空間的なローパスフィルタが、イメージ内に高い空間周波数が存在する場合、色のエイリアシングを低減する結果となる。イメージセンサに特有の光学的ローパスフィルタにより、エイリアシングによる色のアーチファクトが回避されるので、イメージの品質は向上する。
上述の明細書、例およびデータは、本発明の製品および構成の使用について完全な記述を提供するものである。本発明の精神および範囲から外れることなく、多くの実施形態を作成することができるので、本発明は、添付の請求項により示される。

垂直受光器の例示的な横断面図。 画素アレイからの例示的な画素セルの略図。 改良した垂直受光セルの部分断面図。 画素センサの例示的なパターンを示している。 領域が増加した、画素センサの例示的なパターンを示している。 本発明による、領域が増加した、画素センサの他の例示的なパターンを示している。

符号の説明

１０、１２ 接続点
１２、１４、 １６ トランジスタ
１１０ 表面
１２０ ｎタイプ材料の領域
１３０ ｐタイプ材料の領域
１４０ 遮光部材
１５０ 光
１６０、１７０、１８０ 読み取りライン
１９０ 他の回路
２００ 画素セル
２０２、２０４、 ２０６ ＮＭＯＳトランジスタ
３１０ 電子回路
３２０ 青色感応領域
３３０ 緑色感応領域
３３２ 緑色フォトダイオード領域であって、赤色フォトダイオードのための接触プラグと交差できない部分
３４０ 赤色感応領域
５１０、５２０、５３０ 画素センサ配列
５４０、５５０、５６０、５７０ パターン
５８０ 空の空間
６１０ 上から見た図
６２０ 下から見た図
Ｒ１ 赤色信号
Ｇ１ 緑色信号
ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４、ＰＤ５、ＰＤ２０ フォトダイオード
ＶＣＣ 高出力電源
ＧＮＤ 低出力電源

Claims (20)

1. イメージセンサの表面に平行な面内において互いに隣接する位置を占め、異なる色の光を検出するためにイメージセンサ内の種々の深さに配設された複数の受光領域の中の１つの受光領域を利用して各々光を検出する第１および第２垂直受光セルを具備し、
   複数の受光領域は、
   第１垂直受光セルのために第１色に対応する光を検出する第１受光領域と、
   第２垂直受光セルのために第２色に対応する光を検出する第２受光領域とを具備し、
   イメージセンサの表面に平行な面内において、第１受光領域は前記第１および第２垂直受光セルの領域を占め、第２受光領域は前記第２垂直受光セルの領域を占め、第１受光領域の幾何学的中心は第１垂直受光セルに位置し、第２受光領域の幾何学的中心は第２垂直受光セルに位置する、
   イメージセンサのための画素セル。
2. 第１色は、赤、緑および青のうちの一色に対応し、そして第２色は赤、緑、青のうちの別の１色に対応する請求項１に記載の画素セル。
3. 第１受光領域はイメージセンサの表面に平行な第１面内に配設されており、そして第２受光領域はイメージセンサの表面に平行であり、かつ、該第１面とは異なる第２面内に配設されている請求項１に記載の画素セル。
4. 第１受光領域は、第２受光領域とは交差していない請求項１に記載の画素セル。
5. 第１面は、第１受光領域のほうがイメージセンサの表面に近くなるように第２面の上に配設されており、そして第１受光領域は第１受光領域からイメージセンサの表面へと延びている電気的接触子を介して信号を供給するために配設されている請求項３に記載の画素セル。
6. 第１面は、第２受光領域のほうがイメージセンサの表面に近くなるように第２面の下に配設されており、そして第１受光領域は、第２受光領域に接続することなく第１受光領域からイメージセンサの表面へと延びている電気的接触子を介して信号を供給するために配設されている請求項３に記載の画素セル。
7. イメージセンサの表面に平行な面内において第１垂直受光セルおよび第２垂直受光セルと隣接する位置を占め、前記複数の受光領域の中の１つの受光領域を利用して光を検出する第３垂直受光セルを具備し、
   前記複数の受光領域は、第３垂直受光セルのために第３色に対応する光を検出する第３受光領域をさらに具備し、
   イメージセンサの表面に平行な面において、第３受光領域の幾何学的中心は第３垂直受光セルに位置する請求項１に記載の画素セル。
8. イメージセンサの表面に平行な面内において第１垂直受光セル、第２垂直受光セルおよび第３垂直受光セルと隣接する位置を占め、前記複数の受光領域の中の１つの受光領域を利用して光を検出する第４垂直受光セルをさらに具備し、
   前記複数の受光領域は、第４垂直受光セルのために第３色に対応する光を検出する第４受光領域とをさらに具備し、
   イメージセンサの表面に平行な面において、第４受光領域の幾何学的中心は第４垂直受光セルに位置する請求項７に記載の画素セル。
9. 第１色、第２色および第３色はそれぞれ赤色、青色そして緑色に対応する請求項８に記載の画素セル。
10. 第１、第２、第３および第４垂直受光セルが、４つの画素からなる１つのグループを構成する請求項８に記載の画素セル。
11. 画素セルのアレイとして配設されているイメージセンサであって、
    アレイ内の第１画素位置を中心とし、波長が第１波長に一致する光に対して感度がある第１センサと、
    アレイ内の第２画素位置を中心とし、波長が第２波長に一致する光に対して感度がある第２センサと、
    アレイ内の第３画素位置を中心とし、波長が第３波長に一致する光に対して感度がある第３センサと、
    アレイ内の第４画素位置を中心とし、波長が第３波長に一致する光に対して感度がある第４センサと、
    を具備し、
    第１、第２、第３および第４センサの各々は、イメージセンサ内の種々の深さに配設された複数のセンサ材料の中の１つを利用して光を検出する垂直受光セルを含み、
    第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサの垂直受光セルは、中心部分と拡張部分を含むセンサ材料を利用して光を検出するものであり、中心部分は当該選択したセンサの垂直受光セル内に配設されており、拡張部分は当該選択したセンサの垂直受光セルに隣接する他の垂直受光セル内に配設されており、当該中心部分は、選択したセンサの感度を上げるために隣接する垂直受光セルから光子キャリアを集めるように拡張部分に連結しているイメージセンサ。
12. 画素セルのアレイは、画素セルから第１方向に延びる第１および第３センサの第１の繰り返しパターンと、画素セルから第２方向に延びる第１および第４センサの第２の繰り返しパターンと、画素セルから第１方向に延びる第２および第３センサの第３の繰り返しパターンと、画素セルから第２方向に延びる第２および第４センサの第４の繰り返しパターンを含む、請求項１１に記載のイメージセンサ。
13. 第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサは、センサ材料の中心部分および拡張部分により画定される成形されたパターンに構成され、該成形されたパターンは、アレイ内の画素の位置を中心とする四角形である請求項１１に記載のイメージセンサ。
14. 第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサは、センサ材料の中心部分および拡張部分により画定される成形されたパターンに構成され、該選択した１つのセンサのための光を検出するセンサ材料の面積が、アレイ内の画素の面積の２倍になるように、成形されたパターンがアレイ内の画素の近くに中心を位置させている請求項１３に記載のイメージセンサ。
15. 第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサは、センサ材料の中心部分および拡張部分により画定される成形されたパターンに構成され、該成形されたパターンはアレイの画素の並びに対して４５度の角度をなすように傾いた四角形に相当する請求項１１に記載のイメージセンサ。
16. 画素のアレイは、第１波長の光を検出する第１センサのグループを含み、第１センサのグループの各第１センサは、アレイの画素の並びに対して４５度傾いた四角形に成形されたパターンをなしており、第１センサの四角形のパターンは、隣接するものと四角形の辺を近接させて配列されている請求項１１に記載のイメージセンサ。
17. 第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサは、センサ材料の中心部分および拡張部分により画定される成形されたパターンに構成され、センサ材料の拡張部分は、選択したセンサのセンサ材料の中心を通過し、かつ、アレイ内の画素の並びに平行な水平軸および垂直軸に沿って延びている請求項１１に記載のイメージセンサ。
18. 第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサは、センサ材料の中心部分および拡張部分により画定される成形されたパターンに構成され、センサ材料の拡張部分は、第１、第２、第３および第４センサから選択した１つのセンサのために光を検出するセンサ材料の面積がアレイ内の画素の面積の３倍になるように、センサ材料の中心を通過し、かつ、アレイの画素の並びに平行な水平軸および垂直軸に沿って延びている請求項１１に記載のイメージセンサ。
19. 画素のアレイは、センサ材料が中心部分と拡張部分により画定される形に成形されたパターンを有する第２センサのグループであって、センサ材料の拡張部分がセンサ材料の中心を通過し、かつ、アレイの画素の並びに平行な水平軸および垂直軸に沿って延びた第２センサのグループを含み、第２センサのグループは第２波長に対応する光を検出する第５センサを含む中心部分を囲み、該第５センサは中心部分に入射する第２の波長の光により生じた光子キャリアを排出するように構成されている請求項１１に記載のイメージセンサ。
20. 光子キャリアを収集するための第１手段であって、イメージセンサ内の種々の深さに配設された複数のセンサ材料の中の１つのセンサ材料を利用して光を検出するように構成された第１垂直受光セルから、該第１垂直受光セルにより第１色の検出光に基づいて生成された第１光子キャリアを収集するように構成された第１手段と、
    光子キャリアを収集するための第２手段であって、第１垂直受光セルに隣接して配設され、前記イメージセンサ内の種々の深さに配設された複数のセンサ材料の中の他の１つのセンサ材料を利用して光を検出する第２垂直受光セルから、該第２垂直受光セルにより第２色の検出光に基づいて生成された第２光子キャリアを収集するように構成された第２手段と、
    第２垂直受光セルから第１光子キャリアを収集するように構成された第３手段と、
    垂直受光セルおよび隣接する垂直受光セルからの第１色の検出光に基づいて生成された光子キャリアが結合されてセンサの第１色に対する感度が増加するように、第１手段により集められた第１光子キャリアに第３手段により集められた第１光子キャリアを連結するように構成されている連結手段とを備えるイメージセンサ。

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