TW202105702A - 彩色與紅外光影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本揭示涉及一種彩色與紅外光影像感測器，該彩色與紅外光影像感測器包括矽基板、形成在基板中的MOS電晶體、疊層及濾色器，該疊層覆蓋基板且包括第一感光層、電絕緣層、第二感光層。影像感測器進一步包括在第一感光層的任一側上並界定第一光電二極體的電極，及在第二感光層的任一側上並界定第二光電二極體的電極。第一感光層吸收可見光譜和一部分紅外光譜的電磁波，及第二感光層吸收可見光譜的電磁波並允許一部分紅外光譜的電磁波。

Description

彩色與紅外光影像感測器
本專利申請案主張法國專利申請案號FR19/02153的優先權權益，其藉由引用方式併入本文中。
本揭示涉及影像感測器或電子成像器。
由於影像感測器的小型化而在許多領域中使用影像感測器，特別是在電子裝置中使用影像感測器。影像感測器存在於人機界面應用中或是在影像捕獲應用中。
對於某些應用，期望具有能夠同時獲取彩色影像和紅外影像的影像感測器。在以下描述中，這種影像感測器被稱為彩色與紅外光影像感測器。彩色與紅外光影像感測器的應用實例涉及具有投影在其上的結構化紅外圖案之物體的紅外影像的獲取。這種影像感測器的使用領域尤其為機動車輛、無人機、智慧型手機、機器人技術和增強現實系統。
像素在入射輻射的作用下收集電荷的階段稱為像素的積分階段。通常在積分階段之後是讀出階段，在讀出階段期間測量由像素收集的電荷量。
對於彩色與紅外光影像感測器的設計要考慮複數個限制。首先，彩色影像的解析度不應小於使用常規彩色影像感測器獲得的解析度。
第二，對於某些應用，可能期望影像感測器是全局快門類型(亦即，實施其中像素積分階段的開始和結束是同時的影像獲取方法)。這尤其可適用於具有投影在其上之結構化紅外圖案之物體的紅外影像的獲取。
第三，期望影像感測器像素的尺寸盡可能小。第四，期望每個像素的填充因數盡可能大，該填充因數對應於積極參與入射輻射捕獲之像素的區域的頂視圖中的表面積與像素之頂視圖中之總表面積之比。
可能難以設計滿足所有前述限制的彩色與紅外光影像感測器。
實施例克服前述彩色與紅外光影像感測器的全部或部分缺陷。
根據實施例，由彩色與紅外光影像感測器獲取的彩色影像的解析度大於2,560 ppi，較佳地大於8,530 ppi。
根據實施例，獲取紅外光影像的方法是全局快門類型。
根據實施例，彩色與紅外光影像感測器像素的尺寸小於10 μm，較佳地小於3 μm。
根據實施例，彩色與紅外光影像感測器的每個像素的填充因數大於50％，較佳地大於80％。
實施例提供了一種彩色與紅外光影像感測器，其包括矽基板、形成在基板中和基板上的MOS電晶體、覆蓋基板並包括來自基板的第一感光層、電絕緣層、第二感光層的疊層和濾色器。影像感測器進一步包括在第一感光層的任一側上並在第一感光層中界定第一光電二極體的第一電極和第二電極，及在第二感光層的任一側上並在第二感光層中界定第二光電二極體的第三電極和第四電極。第一感光層經配置為吸收可見光譜和紅外光譜的第一部分的電磁波，及第二感光層被配置為吸收可見光譜的電磁波並允許紅外光譜的該第一部分的電磁波。
根據實施例，影像感測器進一步包括覆蓋該疊層的紅外濾波器，第一感光層和第二感光層插入在基板和紅外濾波器之間，紅外濾波器經配置成允許可見光譜的電磁波、允許紅外光譜的第一部分的電磁波，並阻擋在可見光譜和紅外光譜的第一部分之間的紅外光譜的至少第二部分的電磁波。
根據實施例，影像感測器進一步包括覆蓋該疊層的透鏡陣列。
根據實施例，對於要獲取的彩色影像的每個像素，影像感測器進一步包括至少第一子像素、第二子像素和第三子像素，每個子像素均包括第二光電二極體中的一者、第一光電二極體中的一者或第一光電二極體中的一者的一部分及濾色器中的一者，第一子像素、第二子像素和第三子像素的濾色器允許可見光譜的不同頻率範圍內的電磁波及允許紅外光譜的電磁波。
根據實施例，對於要獲取的彩色影像的每個像素，第四電極對於第一子像素、第二子像素和第三子像素是共用的。
根據實施例，對於要獲取的紅外影像的每個像素，第二電極對於第一子像素、第二子像素和第三子像素是共用的。
根據實施例，對於要獲取的紅外影像的每個像素，第一電極對於第一子像素、第二子像素和第三子像素是共用的。
根據實施例，對於要獲取的彩色影像的每個像素，影像感測器包括至少一個第四子像素，該第四子像素包括第二光電二極體之一者和濾色器之一者，第四子像素的濾色器經配置為阻擋可見光譜的電磁波並允許可見光譜和紅外光譜的部分之間的紅外光譜的第三部分中的電磁波，第二感光層經配置為吸收在紅外光譜的該第三部分中的電磁波。
根據實施例，影像感測器針對每個第一子像素、第二子像素和第三子像素包括經耦接到第二光電二極體和第一光電二極體的讀出電路。
根據實施例，讀出電路經配置成將在第一光電二極體中產生的第一電荷轉移到第一導電跡線，且經配置為將在第二光電二極體中產生的第二電荷轉移到相同的第一導電跡線或與第一導電跡線不同的第二導電跡線。
根據實施例，第一光電二極體以列和行佈置，且讀出電路經配置為對於影像感測器的所有第一光電二極體在第一時間間隔期間同時控制第一電荷的產生。
根據實施例，第二光電二極體以列和行佈置，且讀出電路經配置成對於影像感測器的所有第二光電二極體，在時間間隔期間同時或從第二光電二極體的一列移到另一列的時間中控制電荷收集。
根據實施例，讀出電路經配置成控制具有第一持續時間的第一光電二極體的第一積分階段及控制具有不同於第一持續時間的第二持續時間的第二光電二極體的第二積分階段。
根據實施例，第一感光層及/或第二感光層由有機材料製成及/或包含量子點。
根據實施例，彩色影像的解析度不同於紅外影像的解析度。
在各個附圖中，相似特徵已由相似元件符號表示。具體來說，在各個實施例之間共用的結構及/或功能特徵可具有相同的元件符號且可佈置相同的結構、尺寸及材料特性。為了清楚起見，僅圖示和詳細描述對於理解所描述的實施例有用的那些步驟和元件。具體來說，沒有詳細描述下文描述的影像感測器的用途。
在以下揭示中，除非另外指出，否則當提及絕對位置修飾詞(如術語「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」等)、或相對位置修飾詞(如術語「上方」、「下方」、「較高」、「較低」等)，或定向修飾詞(如「水平」、「垂直」等)時，參考附圖中所示的定向或參考在正常使用期間所定向的影像感測器。除非另有說明，否則表述「大約」、「約」、「基本上」及「大約(in the order of)」表示在10％以內，且較佳地在5％以內。
除非另外指出，否則當提及連接在一起的兩個元件時，表示沒有導體以外的任何中間元件的直接連接；而當提及耦接在一起的兩個元件時，則表示這兩個元件可連接或這兩個元件可經由一或多個其他元件耦接。此外，在第一恆定狀態（例如，記為「0」的低狀態）和第二恆定狀態（例如，記為「1」的高狀態）之間交替的信號被稱為「二進制信號」。同一電子電路的不同二進制信號的高狀態及低狀態可能不同。具體來說，二進制信號可對應於在高或低狀態下可能不是完全恆定的電壓或電流。此外，在此認為術語「絕緣」和「導電」分別意指「電絕緣」和「導電」。
層的透射率對應於從層出來的輻射強度與進入該層的輻射強度之比。在下文描述中，當輻射穿過層或膜的透射率小於10％時，該層或膜被稱為對輻射不透明。在以下描述中，當輻射穿過層或膜的透射率大於10％時，該層或膜被稱為對輻射透明。在下文描述中，材料的折射率對應於針對由影像感測器捕獲的輻射的波長範圍的材料的折射率。除非另有說明，否則折射率被認為在有用輻射的波長範圍內基本恆定，例如，該折射率等於在影像感測器捕獲的輻射的波長範圍內的折射率的平均值。
在下文描述中，「可見光」表示波長在400 nm至700 nm範圍內的電磁輻射，而「紅外輻射」表示波長在700 nm至1 mm範圍內的電磁輻射。在紅外輻射中，可特別區分波長範圍為700 nm至1.4 µm的近紅外輻射。
影像的像素對應於由影像感測器捕獲的影像的單位元素。當光電裝置是彩色影像感測器時，對於要獲取的彩色影像的每個像素，其通常包括至少三個部件，每個部件基本上以單色獲取光輻射，亦即，波長範圍小於100 nm（例如，紅色、綠色和藍色）。每個部件可特別地包括至少一個光偵測器。
圖1是彩色與紅外光影像感測器1的實施例的局部簡化分解透視圖，及圖2是彩色與紅外光影像感測器1的實施例的局部簡化截面圖。影像感測器1包括能夠捕獲紅外影像的第一光子感測器(也稱為光偵測器)2的陣列，及能夠捕獲彩色影像的第二光偵測器4的陣列。光偵測器2的陣列和光偵測器4的陣列與測量由光偵測器2和光偵測器4捕獲的信號的讀出電路6的陣列相關。讀出電路意指用於讀出、尋址和控制由對應的光偵測器2和光偵測器4限定的像素或子像素的電晶體的組件。
在影像感測器1中，可見範圍4中的光偵測器的陣列(也稱為彩色光偵測器)覆蓋紅外2中的光偵測器的陣列(也稱為紅外光偵測器)。此外，紅外光偵測器2和彩色光偵測器4的陣列覆蓋讀出電路6的陣列。對於要獲取的可見範圍內的影像（稱為彩色影像）的每個像素，影像感測器1的術語子像素SPix表示影像感測器1的一部分，該部分包括在可見光範圍4內的一部分光偵測器，其能夠在要獲取的影像的可見輻射的有限部分、彩色光偵測器4的一部分中獲取光輻射，彩色光偵測器4覆蓋紅外光偵測器2及與彩色光偵測器4和紅外光偵測器2相關的讀出電路6。
在圖1和圖2中已圖示了四個子像素SPix。為清楚起見，在圖1中僅圖示了在圖2中存在的影像感測器的某些元件。影像感測器1在圖2中從下到上包括： 半導體基板12，其包括上表面14及其較佳地是平坦的； 讀出電路6的電子部件16，其位於基板12中及/或表面14上，圖2中圖示了單個部件16； 覆蓋表面14的絕緣層的疊層18，導電跡線20位於疊層18上且在疊層18的絕緣層之間； 對於每個子像素SPix，放置在疊層18上並藉由導電通孔24耦接到基板12、部件16之一者或耦接到導電跡線20之一者的電極22； 第一活性層26，其覆蓋所有電極22並覆蓋電極22之間的疊層18； 對於每個子像素SPix，放置在活性層26上並藉由導電通孔30耦接到基板12、部件16之一者或導電跡線20之一者的電極28； 絕緣層32，其覆蓋所有電極28並覆蓋電極28之間的活性層26； 對於每個子像素SPix，放置在絕緣層32上並藉由導電通孔36耦接到基板12、部件16之一者或導電跡線20之一者的電極34； 第二活性層38，其覆蓋所有電極34並覆蓋電極34之間的絕緣層32； 對於每個子像素SPix，放置在第二活性層38上並藉由導電通孔42耦接到基板12、部件16之一者或導電跡線20之一者的電極40； 絕緣層44，其覆蓋所有電極40和電極40之間的第二活性層38； 對於每個子像素SPix，覆蓋絕緣層44的濾色器46； 對於每個子像素SPix，覆蓋濾色器46的微透鏡48； 覆蓋微透鏡48的絕緣層50；及 覆蓋絕緣層50的濾波器52。
可用列和行分佈子像素SPix。在本實施例中，每個子像素SPix在垂直於表面14的方向上具有正方形或矩形的基底，其邊長從0.1 μm至100 μm變化，例如，等於大約3 μm。然而，每個子像素SPix可具有不同形狀的基底，例如六邊形的基底。
在本實施例中，第一活性層26是影像感測器1的所有子像素SPix所共用的。每個紅外光偵測器2的活性區域對應於區域，該區域其中大部分有用的入射紅外輻射被紅外光偵測器2吸收並轉換成電信號，且基本上對應於第一活性層26位於下部電極22和上部電極28之間的部分。此外，在本實施例中，第二活性層38是影像感測器1的所有子像素SPix所共用的。每個彩色光偵測器4的活性區域對應於區域，該區域其中大部分入射輻射被彩色光偵測器4吸收並轉換成電信號，且基本上對應於活性層38位於下部電極34和上部電極40之間的部分。
根據實施例，活性層26能夠捕獲在從400 nm到1,100 nm的波長範圍內的電磁輻射。根據實施例，活性層38能夠捕獲在400 nm至700 nm的波長範圍內的電磁輻射，亦即，僅吸收可見光。根據另一實施例，活性層38能夠捕獲在400 nm至920 nm的波長範圍內的電磁輻射，亦即可見光和近紅外的一部分。光偵測器可由有機材料製成。光偵測器可對應於有機光電二極體（OPD）或有機光敏電阻。在下文描述中，可認為光偵測器對應於光電二極體。
濾波器52能夠允許可見光、能夠允許感興趣的紅外波長範圍內的一部分紅外輻射以獲取紅外影像，並能夠阻擋其餘的入射輻射(尤其是感興趣的紅外波長範圍之外的其餘紅外輻射)。根據實施例，感興趣的紅外波長範圍可對應於以紅外輻射的預期波長為中心的50 nm範圍，例如，以940 nm波長為中心或以850 nm波長為中心。濾波器52可為干涉濾波器及/或包括吸收層及/或反射層。
濾色器46可對應於著色的樹脂塊。每個濾色器46能夠允許紅外輻射(例如，在700 nm和1 mm之間的波長處的紅外輻射)及對於濾色器中的至少一些，能夠允許可見光的波長範圍。對於要獲取的彩色影像的每個像素，影像感測器可包括子像素SPix，子像素SPix具有其自身的濾色器46，濾色器46僅能夠允許(例如)在430 nm至490 nm的波長範圍內的藍光，子像素SPix具有其自身的濾色器46，濾色器46僅能夠允許(例如)在510 nm至570 nm的波長範圍內的綠光，及子像素SPix具有其自身的濾色器46，濾色器46僅能夠允許(例如)在600 nm至720 nm的波長範圍內的紅光。
根據實施例，活性層38能夠捕獲在從400 nm到700 nm的範圍內的波長範圍內的電磁輻射，亦即，僅吸收可見光。然後可將濾色器46分佈在拜耳(Bayer)陣列中。從而，對於每個子像素SPix，子像素的彩色光偵測器4僅捕獲可見光中與子像素的濾色器46交叉的部分。
根據另一實施例，活性層38能夠捕獲在從400 nm至920 nm的範圍內的波長範圍內的電磁輻射，亦即，可見光和近紅外的一部分。在這種情況下，濾色器46之一者僅能夠允許紅外輻射並阻擋可見光。彩色光電二極體4中的一者接著充當用於近紅外的光電二極體。這對於彩色影像的獲取(尤其是在低發光度的情況下)及對於具有強烈對比度的影像(例如，對於高動態範圍成像或HDRI方法的實施方式)來說可能是有利的。紅外光電二極體2捕獲的紅外輻射對應於與彩色光電二極體4捕獲的紅外輻射不同的波長範圍，彩色光電二極體4充當近紅外的光電二極體。
由於活性層38吸收了很大一部分可見光(較佳地全部的可見光)，且可能吸收了一部分近紅外光，故活性層26僅接收一部分紅外輻射，該部分紅外輻射穿過濾波器52和活性層38。此有利地可簡化活性層26的設計，活性層26的吸收範圍可擴展。
根據實施例，半導體基板12由矽製成，較佳地由單晶矽製成。基板可以是絕緣體上矽或SOI類型，其包括在絕緣層上的矽層的疊層。根據實施例，電子部件16包括電晶體，具體來說是金屬氧化物閘極場效應電晶體(也稱為MOS電晶體)。根據實施例，基板12是用第一導電類型(例如P型)未摻雜的或輕摻雜的。
導電跡線20、導電通孔24、30、36、42和電極22可由金屬材料製成，該金屬材料例如為銀（Ag）、鋁（Al）、金（Au）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鈦（Ti）和鉻（Cr）。導電跡線20、導電通孔24、30、36、42和電極22可具有單層結構或多層結構。疊層18的每個絕緣層可由無機材料製成，例如由氧化矽（SiO2 ）或氮化矽（SiN）製成。
每個電極28、34、40對其接收的光輻射至少部分透明。每個電極28、34、40可由透明導電材料製成，該透明導電材料例如為透明導電氧化物或TCO、碳奈米管、石墨烯、導電聚合物、金屬、或這些化合物中的至少兩者的混合物或合金。每個電極28、34、40可具有單層結構或多層結構。
能夠形成每個電極28、34、40的TCO的實例是銦錫氧化物（ITO）、鋁鋅氧化物（AZO）、和鎵鋅氧化物（GZO）、氮化鈦（TiN）、氧化鉬（MoO3 ）和氧化鎢（WO3 ）。能夠形成每個電極28、34、40的導電聚合物的實例是稱為PEDOT：PSS的聚合物，其是聚（3,4）-乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸鈉與聚苯胺的混合物，也稱為PAni。能夠形成每個電極28、34、40的金屬的實例是銀、鋁、金、銅、鎳、鈦和鉻。能夠形成每個電極28、34、40的多層結構的實例是多層AZO和AZO/Ag/AZO類型的銀結構。
每個電極28、34、40的厚度可在10 nm至5 μm的範圍內，例如大約30 nm。在電極28、34或40是金屬的情況下，電極28、34或40的厚度小於或等於20 nm，較佳地小於或等於10 nm。
每個絕緣層32、44、50可由氟化聚合物(具體來說是由Bellex以商品名Cytop商業化的氟化聚合物)、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚對二甲苯、聚醯亞胺（PI）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、環烯烴聚合物（COP）、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、光刻樹脂、環氧樹脂、丙烯酸酯樹脂或這些化合物中至少兩者的混合物製成。作為變型，每個絕緣層32、44、50可由無機介電材料製成，具體來說是由氮化矽、氧化矽或氧化鋁（Al2 O3 ）製成。可藉由原子層沉積（ALD）來沉積氧化鋁。每個絕緣層32、44、50的最大厚度可在50 nm至2 μm的範圍內，例如大約100 nm。
每個活性層26、38可包括小分子、低聚物或聚合物。這些小分子、低聚物或聚合物可以是有機材料或無機材料，特別是量子點。每個活性層26、38可包括例如以奈米級的堆疊層或緊密混合物的形式的雙極性半導體材料或N型半導體材料和P型半導體材料的混合物，以形成總體異質接面。每個活性層26、38的厚度可在從50 nm到2 μm的範圍內，例如大約200 nm。
能夠形成活性層26或38的P型半導體聚合物的實例是聚（3-己基噻吩）（P3HT）、聚[N-9'-十七烷基-2,7-咔唑-alt-5,5-（4,7-二-2-噻吩基-2'，1'，3'-苯并噻二唑）]（PCDTBT）、聚[（4,8-雙-（2-乙基己氧基）-苯并[1,2​​-b;4,5-b']二噻吩）-2,6-二基-alt-（4-（2-乙基己醯基）-噻吩並[3,4-b]噻吩））-2,6-二基]（PBDTTT-C）、聚[2-甲氧基-5-（2-乙基-己氧基）-1,4-苯基-亞乙烯基]（MEH-PPV）或聚[2,6-（4,4-雙-（2-乙基己基）-4H-環戊[2,1-b;3,4-b']二噻吩）-alt-4,7（2,1,3-苯并噻二唑）]（PCPDTBT）。
能夠形成活性層26或38的N型半導體材料的實例是富勒烯，特別是C60，[6,6]-苯基-C61 -丁酸甲酯（[60] PCBM），[6,6]-苯基-C71 -丁酸甲酯（[70] PCBM）、苝二醯亞胺、氧化鋅（ZnO）或能夠形成量子點的奈米晶體。
每個活性層26或38可插入在第一界面層和第二界面層之間（未圖示）。根據光電二極體的偏振模式，界面層有助於將電荷從電極收集、注入或阻擋到活性層26或38中。每個界面層的厚度較佳地在0.1 nm至1 μm的範圍內。第一界面層能夠使相鄰電極的功函數與在活性層26或活性層38中使用的受體材料的電子親和力對準。第一界面層可由碳酸銫（CSCO3 ）、特別是氧化鋅（ZnO）的金屬氧化物、或這些化合物中的至少兩者的混合物製成。第一界面層可包括自組裝的單分子層或聚合物，例如（聚乙烯亞胺、乙氧基化聚乙烯亞胺、聚[（9,9-雙（3'-（N，N-二甲基胺基）丙基）-2,7-芴）-alt-2,7-（9,9-二辛基芴）]。第二界面層可使另一個電極的功函數與活性層26或活性層38中使用的施體材料的電離勢對準。第二界面層可由氧化銅（CuO）、氧化鎳（NiO）、氧化釩（V2 O5 ）、氧化鎂（MgO）、氧化鎢（WO3 ）、氧化鉬（MoO3 ）、PEDOT：PSS，或這些化合物中的至少兩者的混合物製成。
微透鏡48具有微米範圍的尺寸。在本實施例中，每個子像素SPix包括微透鏡48。作為變型，每個微透鏡48可用另一種類型的微米範圍光學元件代替，特別是微米範圍菲涅耳透鏡、微米範圍折射率梯度透鏡，或微米範圍的繞射光柵。微透鏡48是會聚透鏡，其焦距f在1 μm至100 μm的範圍內，較佳地在1 μm至10 μm的範圍內。根據實施例，所有微透鏡48基本上相同。
微透鏡48可由二氧化矽、PMMA、正性光敏樹脂、PET、PEN、COP、PDMS/矽氧烷或環氧樹脂製成。微透鏡48可藉由使光敏樹脂的塊流動來形成。可藉由在PET、PEN、COP、PDMS/矽氧烷或環氧樹脂的層上模製來進一步形成微透鏡48。
根據實施例，層50是遵循微透鏡48的形狀的層。可由光學透明黏合劑（OCA）（特別是液體光學透明黏合劑（LOCA））、或具有低折射率的材料、或環氧/丙烯酸酯膠，或氣體或氣體混合物（例如空氣）的層得到層50。較佳地，當層50遵循微透鏡48的形狀時，層50由具有低折射率的材料製成，該材料的該低折射率低於微透鏡48的材料的折射率。層50可由為非黏性的透明材料的填充材料製成。根據另一實施例，層50對應於施加在微透鏡陣列48上的膜，例如OCA膜。在這種情況下，層50和微透鏡48之間的接觸面積可減小，例如，限於微透鏡的頂部。接著，層50可由具有比層50遵循微透鏡48的形狀的情況更高的折射率的材料形成。根據另一實施例，層50對應於OCA膜，該OCA膜被施加在微透鏡陣列48上，黏合劑具有使膜50完全或基本上完全遵循微透鏡的表面形狀的特性。
根據所考慮的材料，形成影像感測器1的至少某些層的方法可對應於所謂的增材製程（addirive process），例如藉由在期望的位置處直接印刷形成有機層的材料（特別是以溶膠-凝膠形式）、例如藉由噴墨印刷、照相凹版印刷、絲網印刷、柔性版印刷、噴塗或滴鑄。根據所考慮的材料，形成影像感測器1的層的方法可對應於所謂的減材法（subtractive method），其中形成有機層的材料沉積在整個結構上及其中之後去除未使用的部分，例如，藉由光刻或雷射燒蝕。此外，根據所考慮的層和材料，形成活性層26、38的材料沉積在整個結構上且沒有被部分去除，接著藉由電極22和34的位置獲得光電二極體的間距。根據所考慮材料，可例如藉由液相沉積、藉由陰極濺射或藉由蒸發來執行在整個結構上的沉積。具體來說，可使用如旋塗、噴塗、攝影製版、狹縫模頭塗佈、刮刀塗佈、柔性版印刷或絲網印刷的方法。當層是金屬時，例如藉由蒸發或藉由陰極濺射將金屬沉積在整個支撐件上，且藉由蝕刻來界定金屬層。
有利地，影像感測器1的至少一些層可藉由印刷技術形成。先前描述的層的材料可藉由噴墨印刷機以液體形式（例如以導電和半導體墨水的形式）沉積。這裡的「液體形式的材料」還表示能夠藉由印刷技術沉積的凝膠材料。可在不同層的沉積之間設置退火步驟，但退火溫度可能不超過150℃，且沉積和可能的退火可在大氣壓下進行。
圖3是影像感測器1的截面圖，其示出了光電二極體電極的佈線的另一實施例。在本實施例中，電極40對於像素的每個彩色光電二極體4是共用的，且電極28對於像素的每個紅外光電二極體2是共用的。此外，電極40對於同一像素列的所有像素可為共用的。此外，電極28對於同一像素列的所有像素可為共用的。然後，對於像素的每個子像素可能不存在通孔30、42，且可在不對應於子像素的區域中（例如在像素外圍處）提供通孔30、42。對於每個子像素SPix，僅電極22和34是不同的。
圖4是影像感測器1的截面圖，其示出了光電二極體電極的佈線的另一實施例。在本實施例中，電極40對於像素的每個彩色光電二極體4是共用的，而電極28對於像素的每個紅外光電二極體2是共用的，如圖3所示的實施例中。然後，對於每個子像素可能不存在通孔30及42，且可在不對應於子像素的區域中提供通孔30及42。此外，在本實施例中，電極22基本上在整個像素上延伸，因此為像素界定單個紅外光電二極體2。然後，對於每個子像素可能不存在通孔24，且可在不對應於子像素的區域中（例如，在像素外圍處）提供通孔24。對於每個子像素SPix，僅電極34是不同的。
圖5圖示了與子像素SPix的彩色光電二極體4和紅外光電二極體2相關聯的讀出電路6-1的實施例的簡化電氣圖。
讀出電路6-1包括在跟隨器組件60中的MOS電晶體，該MOS電晶體在兩個端子64、66之間與選擇MOS電晶體62串聯。在其中形成讀出電路的電晶體是N通道MOS電晶體的情況下，端子64耦接到高參考電位VDD的源極，或在其中形成讀出電路的電晶體是P通道MOS電晶體的情況下，端子64耦接到低參考電位的源極（例如，接地）。端子66耦接到導電跡線68。導電跡線68可耦接到同一行的所有子像素，且可耦接到不屬於子像素讀出電路6-1的電流源69。電晶體62的閘極意欲接收子像素選擇信號SEL。電晶體60的閘極耦接到節點FD。節點FD藉由MOS重置電晶體70耦接到重置電位Vrst的施加端子，該重置電位Vrst可以是VDD。電晶體70的閘極意欲接收信號RST，該信號RST用於控制子像素的重置，特別是使得能夠將節點FD基本上重置為電位Vrst。將節點FD處的電壓稱為V_FD。
節點FD經由MOS傳輸電晶體72耦接到所考慮的子像素的彩色光電二極體4的陰極電極34。子像素的彩色光電二極體的陽極電極40耦接到參考電位V_RGD的源極。電晶體72的閘極意欲接收信號TG_RGB以選擇子像素的彩色光電二極體4。電晶體60的閘極進一步經由MOS傳輸電晶體74耦接到所考慮的子像素的紅外光電二極體2的陰極電極22。子像素的紅外光電二極體2的陽極電極28耦接到參考電位V_IR的源極。電晶體74的閘極意欲接收信號TG_IR以選擇子像素的紅外光電二極體2。在本實施例中，為每個子像素提供圖5所示的包括五個MOS電晶體的讀出電路6-1。對於子像素的每一列，信號SEL、信號TR_RGB、信號TR_IR、信號RST及電位V_RGB和電位V_IR可被傳輸到列中的所有子像素。
圖6圖示了與子像素的彩色光電二極體4和紅外光電二極體2相關聯的讀出電路6-2的另一實施例的簡化電氣圖。讀出電路6-2包括圖5所示的讀出電路6-1的所有元件，且對於每個導電跡線68進一步包括運算放大器76，運算放大器76的反相輸入（-）耦接到導電跡線68，其非-反相輸入（+）耦接到參考電位Vref的源極，且其輸出傳遞施加到重置電晶體70的電源端子之一者的電位Vrst。運算放大器76可耦接到子像素的所有重置電晶體70，該等子像素經耦接到導電跡線68。運算放大器76形成反饋環路，該反饋環路能夠減少或甚至抑制重置電晶體70的熱雜訊，該雜訊通常藉由實現相關雙重取樣（CDS）的讀出方法來抑制。
圖7圖示了與子像素的彩色光電二極體4和紅外光電二極體2相關聯的讀出電路6-3的另一實施例的簡化電氣圖。讀出電路6-3包括圖5所示的讀出電路6-1的所有元件，不同之處在於不存在MOS傳輸電晶體72、彩色光電二極體4的陰極電極34連接到跟隨器電晶體60的閘極，及讀出電路6-3進一步包括在跟隨器組件78中的MOS電晶體，該MOS電晶體在兩個端子82、84之間與MOS選擇電晶體80串聯。端子82耦接到高參考電位VDD的源極。端子84耦接到導電跡線68。電晶體80的閘極意欲接收選擇紅外光電二極體2的信號SEL'。電晶體78的閘極藉由MOS重置電晶體86耦接到重置電位Vrst應用的端子。電晶體86的閘極意欲接收信號RST'以控制紅外光電二極體2的重置，從而能夠藉由向陰極22施加電位Vrst來對光電二極體2進行充電。電晶體78的閘極經耦接至子像素的紅外光電二極體2的陰極電極22。
圖8圖示了與子像素的彩色光電二極體4和紅外光電二極體2相關聯的讀出電路6-4的另一實施例的簡化電氣圖。讀出電路6-4包括圖7所示的讀出電路6-3的所有元件，且進一步包括圖6所示的讀出電路6-2的運算放大器76，其反相輸入（-）耦接到導電跡線68，其非反相輸入（+）耦接到參考電位Vref的源極，且其輸出傳遞施加到重置電晶體70和86的電源端子之一者的電位Vrst。
圖9圖示了與子像素的彩色光電二極體4和紅外光電二極體2相關聯的讀出電路6-5的另一實施例的簡化電氣圖。讀出電路6-5包括圖7所示的讀出電路6-3的所有元件，不同之處在於選擇電晶體80被耦接到導電跡線90、導電跡線90不同於導電跡線68且被耦接到電流源89。在本實施例中，彩色子像素和紅外子像素因此不成行耦接。這使得能夠針對彩色像素和紅外像素實施不同的讀出方法，尤其是藉由方法的連續步驟的持續時間。
通常，重置電位Vrst、Vrst'對於所有像素可以是共用的。電位Vrst之後等於電位Vrst'。作為變型，可根據從中讀取對應像素的列來區分重置電位。
圖10是圖5所示的影像感測器6-1的操作方法的實施例期間的二進制信號RST、TG_IR、TG_RGB和SEL及電位V_IR、V_RGB和V_FD的時序圖。在一個操作循環內連續調用t0至t10。藉由考慮讀出電路6-1的MOS電晶體是N通道電晶體來建立時序圖。
在時間t0處，信號SEL處於低狀態使得選擇電晶體62斷開。循環包括重置階段。為此目的，信號RST處於高狀態使得重置電晶體70導通。信號TG_IR處於高狀態使得傳輸電晶體74導通。藉由經由電位源Vrst注入電荷來使光電二極體充電。類似地，信號TG_RGB處於高狀態使得傳輸電晶體72導通。彩色光電二極體4中累積的電荷之後朝著電位Vrst的源極放電。
就在時間t1之前，將電位V_IR設置為低位準及將電位V_RGB設置為低狀態，其中電位V_IR和V_RGB的低位準可相同也可不同。在標記新循環開始的時間t1處，將信號TG_IR設置為低狀態使得傳輸電晶體74斷開，且將信號TG_RGB設置為低狀態，使得傳輸電晶體72斷開。緊接在時間t1之後，將信號RST設置為低狀態，使得重置電晶體70斷開。接著將電位V_FD設置為第一值V1。然後，在時間t1和時間t2之間發生積分階段，在此期間，電荷的產生與光電二極體2和4中的入射光的強度成比例。在時間t2處，將電位V_IR設置為高位準，這停止了紅外光電二極體2的電荷收集，從而使紅外光電二極體2的陰極電位保持恆定，且將電位V_RGB設置為高位準，這將停止彩色光電二極體4中的電荷收集，從而使彩色光電二極體4的陰極電位保持恆定。電位V_IR和電位V_RGB的高位準可相同或不同。
在時間t2和時間t3之間，將信號SEL暫時設置為高狀態，使得導電跡線68的電位達到被儲存之代表V1的值。在時間t3和t4之間，將信號TG_IR設置為高狀態，使得傳輸電晶體74導通。然後，將儲存在紅外光電二極體2中的電荷傳輸到節點FD，其電位V_FD減小到值V2。在時間t4和t5之間，將信號SEL暫時設置為高狀態，使得導電跡線68的電位達到被儲存之代表V2的值。值V2和V1之間的差代表在積分階段期間在紅外光電二極體2中收集的電荷量。
在時間t5和時間t6之間，將信號RST設置為高狀態使得重置電晶體70導通。電位V_FD之後穩定在值V3，值V3可基本上等於V1。在時間t6和時間t7之間，將信號SEL暫時設置為高狀態，使得導電跡線68的電位達到被儲存之代表V3的值。在時間t7和時間t8之間，將信號TG_RGB設置為高狀態，使得傳輸電晶體72導通。彩色光電二極體4中收集的電荷接著被傳輸到節點FD，其電位V_FD減小到值V4。在時間t8和時間t9之間，將信號SEL暫時設置為高狀態，使得導電跡線68的電位達到被儲存之代表V4的值。值V4和值V3之間的差代表在積分階段期間在彩色光電二極體4中收集的電荷量。時間t10標記循環的結束且對應於下一個循環的時間t1。在本實施例中，在傳輸在彩色光電二極體4中收集的電荷之前，執行在紅外光電二極體2中收集的電荷的傳輸。然而，可在傳輸在紅外光電二極體2中收集的電荷之前，執行在彩色光電二極體4中收集的電荷的傳輸。
本實施例有利地使得能夠執行用於獲取彩色影像的全局快門類型的讀出方法及用於獲取紅外影像的全局快門類型的讀出方法，該用於獲取彩色影像的全局快門類型的讀出方法其中同時執行所有彩色光電二極體的積分階段，及該用於獲取紅外影像的全局快門類型的讀出方法其中同時執行所有紅外光電二極體的積分階段。
圖11是在圖5中圖示的影像感測器6-1的操作方法的另一實施例期間的二進制信號RST、TG_IR、TG_RGB和SEL及電位V_IR、V_RGB和V_FD的時序圖。本操作循環包括與圖10所示的操作循環相同的階段連續性，而不同之處在於，在時間t2處，電位V_IR一直保持在低狀態直到時間t5'（在本實施例中，係在時間t5'和t6之間）為止；在時間t3和時間t4之間，傳輸電晶體74保持斷開且傳輸電晶體72導通；及在時間t7和時間t8之間，傳輸電晶體72保持斷開且傳輸電晶體74導通。
在本實施例中，對於每個子像素，彩色光電二極體4的積分階段從時間t1延伸到時間t2，且紅外光電二極體2的積分階段從時間t1延伸到時間t5'。本實施例使得紅外光電二極體的積分階段的持續時間不同於彩色光電二極體積分階段的持續時間。此外，本實施例有利地使得能夠執行用於獲取彩色影像的全局快門類型的讀出方法和用於獲取紅外影像的全局快門類型的讀出方法。
圖12是考慮到第一連續像素列和第二連續像素列、與第一列相關聯的信號和電位（其包括後綴「_1」）及與第二列相關聯的信號和電位（其包括後綴「_2」）之在圖9中所示的影像感測器6-5的操作方法的另一實施例期間的信號RST'_1、RST'_2、RST_1、RST_2、SEL_1、SEL_2及電位V_IR_1、V_IR_2、V_RGB_1和V_RGB_2的時序圖。
如圖12所示，信號V_RGB_1和信號V_RGB_2被永久地保持在低狀態。同時執行由信號V_IR_1和信號V_IR_2控制的兩列紅外光電二極體的積分階段，而由信號RST_1和信號SEL_1控制的第一行彩色光電二極體的積分階段相對於由信號RST_2和信號SEL_2控制的第二列彩色光電二極體的積分階段在時間上偏移。這使得能夠實施用於紅外光電二極體的全局快門類型讀出方法和用於彩色光電二極體的滾動快門類型讀出方法，在此期間像素列的積分階段在時間上相對於彼此偏移。
已描述了各種實施例和變型。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，可組合這些實施例的某些特徵，且所屬技術領域中具有通常知識者將容易想到其他變型。具體來說，可用圖2至圖4所示的任何子像素結構來實施圖6至圖9所示的讀出電路。此外，可進一步用圖6至圖9所示的讀出電路來實施先前關於圖10和圖11所描述的時序圖。最後，基於以上提供的功能描述，本文所描述的實施例和變型的實際實施方式在所屬技術領域中具有通常知識者的能力之內。
1:影像感測器 2:紅外光偵測器/第一光電二極體 4:彩色光偵測器/第二光電二極體 6:讀出電路 6-1:讀出電路 6-2:讀出電路 6-3:讀出電路 6-4:讀出電路 6-5:讀出電路 12:半導體基板 14:上表面 16:電子部件 18:疊層 20:導電跡線 22:電極 24:導電通孔 26:第一活性層 28:電極 30:導電通孔 32:絕緣層 34:電極 36:導電通孔 38:第二活性層 40:電極 42:導電通孔 44:絕緣層 46:濾色器 48:微透鏡 50:絕緣層 52:濾波器 60:跟隨器組件/電晶體 62:選擇MOS電晶體 64:端子 66:端子 68:導電跡線 69:電流源 70:MOS重置電晶體 72:MOS傳輸電晶體 74:MOS傳輸電晶體 76:運算放大器 78:跟隨器組件/電晶體 80:MOS選擇電晶體 82:端子 84:端子 86:MOS重置電晶體 89:電流源 90:導電跡線
在以下藉由說明而非限制的方式給出的具體實施例的描述中，將參考附圖對上述特徵和優勢及其他特徵和優勢進行詳細描述，其中：
圖1是彩色與紅外光影像感測器的實施例的局部簡化分解透視圖；
圖2是圖1的影像感測器的局部簡化截面圖，其示出了影像感測器的電極的實施例；
圖3是圖1的影像感測器的局部簡化截面圖，其示出了電極的另一實施例；
圖4是圖1的影像感測器的局部簡化截面圖，其示出了電極的另一實施例；
圖5是圖1的影像感測器的子像素的讀出電路的實施例的電氣圖；
圖6是讀出電路的另一實施例的電氣圖；
圖7是讀出電路的另一實施例的電氣圖；
圖8是讀出電路的另一實施例的電氣圖；
圖9是讀出電路的另一實施例的電氣圖；
圖10是具有圖5的讀出電路的影像感測器的操作方法的實施例的信號的時序圖；
圖11是具有圖5的讀出電路的影像感測器的操作方法的另一實施例的信號的時序圖；及
圖12是具有圖9的讀出電路的影像感測器的操作方法的實施例的信號的時序圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
2:紅外光偵測器/第一光電二極體
4:彩色光偵測器/第二光電二極體
6:讀出電路
12:半導體基板
14:上表面
16:電子部件
18:疊層
20:導電跡線
22:電極
24:導電通孔
26:第一活性層
28:電極
30:導電通孔
32:絕緣層
34:電極
36:導電通孔
38:第二活性層
40:電極
42:導電通孔
44:絕緣層
46:濾色器
48:微透鏡
50:絕緣層
52:濾波器

Claims (15)

  1. 一種彩色與紅外光影像感測器（1），包括：一矽基板（12）、在該基板中與該基板上形成的MOS電晶體（16；60、62、70、72、74）、覆蓋該基板的一疊層及濾色器（46），該疊層包括來自該基板的一第一感光層（26）、一電絕緣層（32）、一第二感光層（38），該影像感測器進一步包括在該第一感光層的任一側上並在該第一感光層中界定第一光電二極體（2）的第一電極和第二電極（22、28）及在該第二感光層的任一側上並在該第二感光層中界定第二光電二極體（4）的第三電極和第四電極（34、40），該第一感光層（26）經配置為吸收該可見光譜和該紅外光譜的一第一部分的該等電磁波，及該第二感光層（38）經配置為吸收該可見光譜的該等電磁波並允許該紅外光譜的該第一部分的該等電磁波。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，進一步包括覆蓋該疊層的一紅外濾波器（52），該第一感光層和該第二感光層（26、38）插入該基板（12）和該紅外濾波器之間，該紅外濾波器經配置成允許該可見光譜的該等電磁波、允許該紅外光譜的該第一部分的該等電磁波，並阻擋在該可見光譜和該紅外光譜的該第一部分之間的該紅外光譜的至少一第二部分的該等電磁波。
  3. 如請求項1或請求項2所述的影像感測器，包括覆蓋該疊層的一透鏡陣列（48）。
  4. 如請求項1所述的影像感測器，對於要獲取的該彩色影像的每個像素，包括至少第一子像素、第二子像素和第三子像素（SPix），該至少第一子像素、該第二子像素和該第三子像素每者包括該等第二光電二極體（4）中之一者、該等第一光電二極體（2）中之一者或該第一光電二極體（2）中之一者的一部分及該等濾色器（46）中的一者，該第一子像素、該第二子像素和該第三子像素的該等濾色器允許該可見光譜的不同頻率範圍中的電磁波並允許該紅外光譜的該等電磁波。
  5. 如請求項4所述的影像感測器，其中對於要獲取的該彩色影像的每個像素，該第四電極（40）對於該第一子像素、該第二子像素和該第三子像素（SPix）是共用的。
  6. 如請求項4所述的影像感測器，其中對於要獲取的該紅外影像的每個像素，該第二電極（28）對於該第一子像素、該第二子像素和該第三子像素（SPix）是共用的。
  7. 如請求項4所述的影像感測器，其中對於要獲取的該紅外影像的每個像素，該第一電極（22）對於該第一子像素、該第二子像素和該第三子像素（SPix）是共用的。
  8. 如請求項4所述的影像感測器，對於要獲取的該彩色影像的每個像素，包括至少一個第四子像素（SPix），該至少一個第四子像素（SPix）包括該等第二光電二極體（4）中之一者和該等濾色器（46）中之一者，該第四子像素的該濾色器經配置為阻擋該可見光譜的該等電磁波並允許該可見光譜和該紅外光譜的該第一部分之間的該紅外光譜的一第三部分中的電磁波，該第二感光層（38）經配置為吸收該紅外光譜的該第三部分中的電磁波。
  9. 如請求項4所述的影像感測器，對於第一子像素、第二子像素和第三子像素（SPix）每一者，包括經耦接到該第二光電二極體（4）和該第一光電二極體（2）的一讀出電路（6-1）。
  10. 如請求項9所述的影像感測器，其中該讀出電路（6-1）經配置為將在該第一光電二極體（2）中產生的第一電荷傳輸到一第一導電跡線（68；90），且經配置為將在該第二光電二極體（4）中產生的第二電荷傳輸到該相同的第一導電跡線（68）或不同於該第一導電跡線的一第二導電跡線（90）。
  11. 如請求項10所述的影像感測器，其中該等第一光電二極體（2）以列和行佈置，且其中該等讀出電路（6-1；6-2；6-3；6-4；6-5）經配置成對於該影像感測器的所有該等第一光電二極體（2），在第一時間間隔期間同時控制該等第一電荷的該產生。
  12. 如請求項10所述的影像感測器，其中該等第二光電二極體（4）以列和行佈置，且其中該等讀出電路（6-1；6-2；6-3；6-4；6-5）經配置成對於該影像感測器的所有該等第二光電二極體，在時間間隔期間同時或在從第二光電二極體的一列移到另一列的時間中控制該電荷收集。
  13. 如請求項10所述的影像感測器，其中該等讀出電路（6-1；6-2；6-3；6-4；6-5）經配置成控制用於該等第一光電二極體（2）的一第一積分階段，該第一積分階段具有一第一持續時間，及經配置成控制用於該等第二光電二極體（4）的一第二積分階段，該第二積分階段具有與該第一持續時間不同的一第二持續時間。
  14. 如請求項1所述的影像感測器，其中該第一感光層（26）及/或該第二感光層（38）由有機材料製成及/或包含量子點。
  15. 如請求項1所述的影像感測器，其中該等彩色影像的該解析度不同於該等紅外影像的該解析度。
TW109105132A 2019-03-01 2020-02-18 彩色與紅外光影像感測器 TWI836007B (zh)

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