TW417389B - Infrared filterless pixel structure - Google Patents

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417339 五、發明說明（1) 發明背景 (1 )發明範！fl 詳言之是有關一影像系統中 本發明係有關於影像系統 之像素結構。 相關技藝之說明 影像感測裝置的一般特徵是影像系統中之光谓測元件。 例如，一種攝影機中之影像感應裴置利用投射光擷取一麥 像以便於取代傳統使用軟片的系統。攝影機中之影像感應^ 裝置被組態利用電荷耦合裝置（CCD)技術或場效電晶體。 (FET)雙極接面電晶體（BJT)、二極體裝置或以互補金氧 半導體（CMOS)裝置製造之光阻以擷取單色或彩色影像。 内建CCD的影像系統或利用CMOS設計之影像感應器通常 需要一红外線（I R)濾波器當作光學系統的一部分。此需求 的出現是因為大部分共用半導體影像感應裝置不但對可見 光（大約380至780奈米）有反應，也對大約78〇至11〇〇奈东 範圍之紅外線光有反應。如果沒有一 I R濾波器，想要得到 一南品質的彩色影像貫際上是不可能的’因為紅外線信號 的效應會破壞影像。單色影像亦需要一 I R濾波器以正破地 保持感應亮度》 傳統地，一 I R滤波器被併入影像糸統中且是光路徑之一 部分（即除了影像感應裝置之外光學系統令之某處）或重疊 於透鏡或介於其他光學元件之内。包含一分離遽波器之 缺點是它增加了成本（IRi慮波器的成本大約在美金元 至1. 00元之間）且對整個系統計算它算是多出的元件，即
O:\59\59110.PTD 第4頁 五、發明說明（2) 片部分計算。而且，包含外加元件必須被融合於影像系統 之設計中，因此當各I R濾波器必須組合進入影像系統中， 增加了額外的複雜度及成本。然而，根據放置I R濾波器的 位置，影像系統的大小將被改變，進一步增加影像系統的 成本。系統軟體及信號處理亦必須被調整以適合I R濾波器 的彩色效能特性。此外，例如如果將I R濾波器設置在前透 鏡中，則I R濾波器被暴露於環境中且會有被環境損壞的危 險，諸如被濕氣損壞或刮傷。 然而另一個將I R濾波器使用於影像系統中之考慮是信號 之損失。當I R濾波器典型地通過可見光頻譜中大約只有8 0 至9 0%之光時，利用這些濾波器減少影像系統之整體信號 雜信比。因此，一具有I R濾波器之影像系統，其具有一較 低信號雜信比，將產生一較低品質影像，與具有一較高信 號雜信比之影像系統相反。 我們想要提供一種影像系統，其利用影像感應器且不需 要使用一 I R濾波器消除紅外線光之效應，藉此除去額外的 成本及因外加額外元件所引起整個系統之複雜屢= 發明摘要 一種用於提供對應事件光之感應信號之像素結構=該像 素結構包含光選擇元件，該光選擇元件具有預定厚度以只 吸收具有對應光譜可視區域波長之光線。 附圖摘要說明 本發明的功能、目的及優點將經由下列的詳細說明、申 請專利範圍及附圖便得更清楚明白，其中：
五、發明說明（3) 圊1顯示一數位攝影機内所發現傳統數位影像系統之組 件方塊圖； 圖2顯示一傳統紅綠藍（RG B )彩色濾波器陣列（CF A )材料 之透射特性； 圖3顯示一利用包含I R濾波器及典型感應器響應特性之 傳統RGB CFA材料之攝影機系統之相關響應特性； 圖4顯示根據本發明一實施例之一影像系統之組件方塊 圖； 圖5顯示根據本發明一實施例之一影像感應裝置之像素 結構； 圖6顯示在C Μ 0 S像素控制電路上所形成之圖5像素結構之 細部截面-圖； 圖7顯示具有800埃（^ )之ΙΤΟ層及0.25毫米（μιπ)之二極 體層之氧化錫銦（I TO)覆蓋針腳二極體之預定吸收特性； 圖8顯示根據本發明一實施例具有8 0 0埃（^ )之I T 0層及 0·2ϋ毫米（"m)之二極體層之IT0覆蓋針腳二極體之預定吸 收特性； _ 圖9顯示一根據本發明一實施例具有多個獨立像素結構 之影像感應裝置陣列；及 圖1 0顯示合併一具有多個根據本發明獨立像素結構之影 像感應裝置陣列之影像系統。 發明之詳細說明 本發明是有關一影像系統之像素結構，其不需要使用I R 瀘波器。在下列的說明中，許多特定的細節被提出為的是
提供讓大家能完全了解本發明。然而，明顯地這些特定％ 節對精通此技藝者實行本發明是不—定需要被利用的。在 其他例子中，知名的材料或方法在此不多加詳述為的是避 免不必要的混淆本發明。 如同在本發明背景之陳述，影像感應裝置是偵測器’其 將光線2光子轉換成電子從光學影像建立影像場景。典型 地，k疋種影像感應器，其使用互補金氧半導體 或電柄合裝置（c C D )技術被生產。影像感應器是由許多個 像素所形成，例如，640欄乘48 0列之像素，其中各像素都 能吸收光。影像感應器利用將事件光擷取光學影像棋格化 成二為陣列之圖片光能被轉換成電荷。根據影像感應哭 之架構，這些像素被"定址"以將轉換電荷讀取出影像感二 器。一些影像感應器使用一二極體當成影像感應器中^ 光元件。典型地，這些二極體被整合aCM〇s電路或可以利 用傳統沉積技術被做在CMOS電路的頂端。 值得注意的是，處理步驟及結構如下文說明，不形成一 完整的製造影像系統之處理流程。本發明可以結合‘今使 用於此技藝中之技術實現，且只有一些通常地^ ^處理步 驟以允許本發明被了解s 圖1顯示數位攝影機中典型影像系統元件之方塊圖。感 應器1 1 0包含二極體1 2 〇及CM 0S影像控制電路1 〇 〇。二極體 120典型被製作於CMOS影像控制電路100之頂端。覆蓋在二 極體1 2 0上的是一色彩過濾陣列（C F A ) 1 4 0。通常，[ρ a 1 4 0 是由三個或更多個色彩通道所組成，其各自導通可見光頻
HI f 〇 0 ^ 五、發明說明（5) ^ - 譜之不同部分且因此限制入射在二極體1 20上之光線\ \ 無一光選擇元件或IR濾波器160，CF A 140不但將導通 < 搜： ' > -S道選 光也導通紅外光至二極體120。CFA 140之色彩過濾遇 ，； 擇性地允許對應預定範圍可見光譜之光線通過一通I ! i極體120。因此1 CFA 140允許具有影像場景之彩色内分 ： 捅常 ：光線被對應攝影機色彩通道裝置之適當的操作估計。 黃 使用於色彩設計包含紅綠藍（RGB)、青紅黃（CMY)及青紅汽I I綠（CMYG)。例如，一種RGB系統將人類眼晴可見光譜之 ' 圍（大約4 0 0 - 7 0 0奈米）依據它們的波長分隔成三種顏色 i 紅、綠或藍；慮波器各讓大約三分之一有效可見光通過共/ j ί色通道°因此，各顏色通道會忽略來自影像場景有效光之| 三分之二的光子。 丨 圖2表示傳統R G B C F Α之透射特性。傳送性ί代表光之元 全傳送’而且傳送性0代表光之零傳送。如上文所提及 丨 的，紅、綠及藍慮波器材料在它們之間橫跨可見光譜 丨 大約4 0 0 - 7 0 0奈米，具有不同的傳送特性。該圖顯系，具j 有大約6 0 0奈米峰值傳送之紅色CFA材料（R),即紅色CFA材| 料（R)讓大約90%波長600 ηιη以上之光通過；_具有大約550 : 奈米峰值傳送之綠色CFA材料（G)，即綠色材料（G)讓大 約7D%波長55 0㈣以上之光通過；及一具有大約45〇条米峰 值傳送之監色C F A材料（B )，即藍色c F A材料（β )讓大約7 5 % j 波長4 5 0 n in以上之光通過。 圖3表不利用具有丨R濾波器的傳統rgb a材料之攝影系 統之R應特性及典型的感應器回應特性。當圖2被考慮成丨
417389 五、發明說明（6) 利用隔離的濾波器材料之顏色通道時，圖3以攝影機系統 當成整個之觀點注視於顏色通道。圖3顯示在結合具有感 應器響應之CFA材料特性及涉及用來將比大約nm長之 波長截止之紅外線濾波器特性之後的三個攝影機顏色通道 之相關響應特性。 如在發明背景中所提出的’本發明影像感應裝置之設計 優點是它減少整個攝影機系統的組件數量，因為不需要I ^ 濾波器元件。圖4顯示圖1影像系統之根據本發明一實施例 之組件的方塊圖’包含CMOS影像控制電路400、二極體42〇 及CFA 440 ’但沒有〖R;慮波器。如上文所提出，包含一 ir 滤波？！的缺點包含額外的成本且會複雜化影像系統。 如所述提供用於擷取可見光但限制I R光進入影像感應器 且產生高品質影像之影像系統’本發明實現此而不需要使 用IR濾波器。藉由利用具有唯一光吸收特性之像素結構之 層及調整這些層至預定厚度’本發明之像素結構讓I r波長 通過或反射而在可見光譜之想要的波長在二極體42 0中被 吸收。 圖5顯示根據本發明之一實施例之影像感應裝置之像素 結構500。像素結構500包含二極體510 '頂端傳導層550及 底端傳導層5 60之像素結構5 00被建立在CMOS影像控制電路 580上方。二極體510可以是任何光感應元件且可以由多形 矽或碲化鎘所形成。二極體510以傳統沉積方式被形成在 CMOS影像控制電路580，諸如原生質增強化學蒸氣沉積 (PECVD)。沉積溫度不超過CMOS影像控制電路58 0之溫度許
O:\59\59ilO.FID 第 9 頁 五、發明說明（7) 可。否則’ CMOS影像控制電路580之結構會被破壞。 在本發明中之一實施例中，二極體510是一種標準的多 形石夕接腳二極體且是以一 Ρ型氫化多形矽（a Si : Η)之薄層 520接著一本質a-Si :Η之厚層53〇及一a_Si :Η之薄η型層 5 4 0。本質層5 3 0吸收入射的光且將它們轉換成電子電洞 對。本質層530的厚度可以在〇1 至i 範圍之間。在 本，明之一實施例中，本質層53〇的厚度為〇. 23 ，為 =是聚集所有的入射光。p型層52〇及n型層54〇被製成足夠 4，以致偏壓可以建立跨越本質層53〇。卩型層52〇及η型層 540各自具有5 nm至20 nm範圍之厚度及5 nm至4〇㈣。在 本發明一實施例中，P型層520及n型層540的厚度各為10 ⑽及20 nm。因為p型層52〇具有一高片電阻，具有低片電 阻之第一導體材料55〇有需要作用如頂端接地。因為第一 導體材料5 5 0是以上述二極體51〇所形成，第一導體材料 容許光穿透至二極體510且。第一導體材料㈣亦 ’’、、 以將p型層52〇接地。導體材料可以是氧化辞 錫（IT0)。第一傳導層55〇的厚度在5〇至2㈣nm範圍之 可以用傳統沉積或喷麗技術形成於 =ί)包含Λ屬接導，之第—傳導層56°接觸心二 一 ，、連接至CMOS影像控制電路580。管道57(1 傳統方法形成…如紹⑴)或銅(Cu) 心:0:: CMOS影像控制電路58〇接觸。 Μ㈣填滿且與 圖6顯不根據本發明一實施例形成於影像控制電路
O:\59\59110.PTD 第10頁 五、發明說明（8) 〜-- 頂端之圖5像素結構之詳細截面圖。像素結構6〇〇包含π〇 層 610、Ρ 型a-Si:H^20、原生質a_Si:H^3〇、_a_Si:
Η層64 0及傳導層650。像素結構6〇〇形成於CM〇s影像控制電 路691上方且經由管道66 0與金屬67〇連接。金屬67〇與接點 661 連接。夾層電介體（interlayeF ILD) 68 0及6 9 0形成於CMOS影像控制電路691上方以阻隔傳 導層65 0與金屬6 70。本發明一實施例中，CM〇s影像控制電 路691包含形成於氧化閘極6 93上方之多形矽閘極6 9 2。
CMOS影像控制電路691之源極及汲極是在p井中所形成之N 型。 本發明之像素結構不只擷取彩色影像，利用内建於像素 結構之特性，而且讓IR光通過。因此’本發明排除在一影 像系統中使用獨立IR遽波器之需求。這是藉由調整多形石夕 接腳二極體5 10(分割成p型層5 2 0、原生質 54〇)及ITG傳導層52ϋ之厚度來達成，以至於當再可 中想要波長被吸收時，對應紅外線範圍之光範圍將讓像素 結構5 0 0導通或反射。 二極體5 10 例如’如果想要只吸收可見光譜之藍色光 及ΙΤ0傳導層550之厚度可以調整至預定厚度，只有讓具有 峰值吸收在大約45 0 nm，對應至藍色光之光線將被吸^。 波長比藍、綠光長之光線，諸如那些對應至紅光及紅外光 線之光線將導通或反射像素結構。更進一步，如果想要吸 收藍光、綠光，且波長比紅光長，則二極體5丨〇及〗τ〇傳導 層5 5 0可以更薄亦吸收上至具有自大約45〇咖至55〇 _峰
417389 五、發明說明（9) 值吸收之紅色波長。波長比紅色光長之光線，諸如對應紅' 外光線之光將不會被吸收，但將立刻通導通或反射像素結i 構s 於是，藉由具有單一光線吸收特性像素結構之層級調整 這些層至預定厚度之利用，本發明吸收可見光譜由想要的丨
! I 波長（藍、綠及紅光），但在紅外光線之波長江被載止。本： ；發明之像素結構有效地防止紅外線光進入影像感應器，因 丨 :此並不需要IR濾波器。 ； 本發明像素結構之吸收特性可以經由模擬被證明。模擬 ； 中，已經顯示吸收特性會因為像素結構可能層特性之作用 I及改變層厚度而改變。 丨 i 表1顯示光之截止波長（定義成等於50%峰值吸收之吸收 | 能階）當作[T 0及a- S i ·. Η二極體模擬所產生厚度之作用。相； ；信只有可忽略量的光線在截止波長之上被吸收。 丨 ITO厚度(λ) a-Si:H二極體厚度 (um) 戴止波長(nm) 600 0.25 748.62 400 0.25 I 733.49 800 0.25 /znr\ ί λ 758.78 c A〇 i 600 I 0.20 | 735.98 400 0.20 721.15 800 0.20 745.86 圖腳 接 之 光 見 可 及 光 外 紅 中 統 Ν糸 J— 表像 影 測 偵 要 想 示 顯 蓋 覆 之 ο 性度 特厚 收一 吸及 之層 體To 極 有 具 體 極二 腳 接 蓋 覆 當 ο 層 體 極二 之 π1 度做 厚層
在 1 7 3 8 3 .五、發明說明（10) :成8 0 0 /\厚且多形矽二極體層（分割成p型層、原生質層及τι !型層）做成0.25 "m厚時，模擬顯示超過50%吸收率，具有| ：自大約450至600峰值吸收，其各自對應藍、綠及紅光之光' 線將被IT0覆蓋接腳二極體吸收。然而，上至85 0 nm附 ！ 近，對應至紅外光區域（7 8 0 - 1 1 0 0 n m)之光線將被吸收。 | 圖8顯示想要偵測影像系統中可見光但不偵測紅外光之 IT 0覆蓋接腳二極體之吸收特性。本發明之一實施例中， | | ITO覆蓋接腳二極體具有一厚度800人之ITO層及一厚度 i 0.20 y m之二極體。藉由將多形矽二極體層（分割成p型 層、原生質層及η型層）之厚度自圖6之0. 25 //m減少至0.2 ! | A m及將ΙΤΟ層厚度保持在8 0 0人，模擬顯示超過50%吸收 率’上至大約79 0 nm對應紅外光之光線被吸收但是將導通| '像素結構或被反射。此顯示於圖8之本發明像素結構之吸 | 丨收特性趨近於典型IR濾波器之吸收特性。 本發明之一優點是可見光感受性自調整過程引起之任何 妥協被以增加信號補償，因為不需要一 IR濾波器。如發明i :为景中所提及，I R濾波器之加入會減低整體系統之信號雜丨 ， i :訊比，因為該濾波器典型地讓可見光譜中大約8 〇〜9 〇 %之光| 線通過。本發明中，利用I r濾波器元件，提昇至1 〇 〇 %，取 代原先讓可見光譜中8 0 ~ 9 0 %之光線通過以比傳統需要之影： 丨像系統產生較高品質之影像。 i ! 本發明的另外一個優點是藉由不需要額外的元件，達到 I —種象徵利益效應。因為攝影機系統之純淨影像品質是根 ：據獨立的元件’諸如光學、IR濾波器、色濾波器陣列
第13頁 4 [7 3 8 9 五、發明說明（π) (CFA)及感應器，這些各自獨立的元件已經内建容許量， 其在合計量中影響最後影像。利用省略IR濾波器元件及它： 的相關變化，測量或測試與該元件相關之需求可以減少或 省略。 丨 圖9顯示根據本發明一實施例之影像感應裝置陣列，其 具有多個獨立的像素結構。圖9顯示一像素結構9 0 0 ，其包1 含ΙΤΟ 層 910、ρ 型a-Si:H 層 920、原生質 a-Si:H 層 930、η 型： a-Si:H層940、偏壓電極950及影像控制電路960。 i 上面的討論集中於包括I R選擇元件或濾波器使用於影像 感應系統中，諸如攝影機。通常，該影像感應裝置之應用 將搜索濾波器（反射或吸收）7 8 0 - 1 1 0 0 nm範圍中之I R光。 所幸，該元件或濾波器可以被特別的應用選擇其他波長當i 成保證且本發明不應該被限制元件的選擇至一特殊的光譜 範圍。替代地，在此所提出之原理可以被應用於包含不同I 選擇性考量之應用。 具有多個上述獨立像素結構之影像感應裝置可以使用當丨 作圖1 0中所顯示數位影像系統4 0 0之一部分。影_像系統400 具有一光學系統43 0，其引導射入能量當成在此例子中之 丨 光在影像感應裝置40 5上建立一光學影像。控制信號產生 邏輯4 i8被提供以產生重至信號及控制影像感應裝置405光i 感應器所應之字組線。輸出值（感應器信號）可以在被供給丨 類比數位A/D轉換單元41 0前以類比形式進一步處理，該單 元輪流供應數位處理方塊4 1 4。類比信號處理，A/D單元及 部分數位處理方塊可以設置於相同的晶月上當成感應器陣i 辞丨丨0 CJ ο I五、發明說明（12) 列。數位處理可以包含硬金屬線邏輯及/或一可程式化處 · 理器，其執行不同的數位功能，包含準備根據儲存或傳送； 感應器信號之數位影像資料。 影像資料至外部處理系統之傳送可以使用通訊介面424 ! 達到。例如，如一數位式攝影機，系統4 0 0將包含一通訊 丨 介面，其符合一電腦週邊匯流排標準，諸如通用串列匯流I 棑（USB)或IEEE 1 3 94- 1 9 9 5。影像系統400亦可以包含非揮| 發變動之近端儲存裝置4 28，例如一可柚換式記憶卡、一 旋轉磁碟裝置或其他適合用於數位影像資料永久不變之記1 憶裝置。系統400之操作可以由系統控制器422控制，該控丨 丨制器可以包含一執行儲存於韌體中指令之傳統微控制器。丨 前面的詳細說明中，本發明已經參考明確的實施例而被丨 說明。清楚地，可以做成不同的修正及改變而不違背本發丨 明如同附錄申請專利範圍所提出之寬廣的精神及目的。於 : 丨是，詳述及附圖將被視為一圖例說明而沒有限制的意味。i
I 因此，本發明之目的應該只有被附錄申請專利範圍限制。！
第15頁

Claims (1)

  1. 417389 六、申請專利範圍 1. 一種用於回應入射光以提供感應信號之像素結構，包， 含： 一組光選擇元件，該組光選擇元件具有預定厚度以只吸 收具有對應光譜可見區域波長之光線= 2. 如申請專利範圍第1項之像素結構，其甲該組光選擇 元件包含一個二極體。 ; 3. 如申請專利範圍第2項之像素結構，其中該組光選擇 丨 元件尚包含一傳導層，該傳導層是由上述二極體形成。 ： 4. 如申請專利範圍第2項之像素結構，其中該二極體包 丨 含一氫化多形矽（a - S i : Η )接腳二極體。 ， 5. 如申請專利範圍第3項之像素結構，其中該傳導層包 含氧化銦錫（I Τ 0 )。 6. 如申請專利範圍第4項之像素結構，其中該氫化多形 矽（a-Si :Η)接腳二極體具有0. 02 //ι]ι至1.0 //m範圍之厚 ： .度。 丨 7. 如申請專利範圍第5項之像素結構，其中該I TO層具有 0 . 0 8 yui至0 . 2 y ϋΐ範圍之厚度。 8. —種影像系統，包含： 一影像感應器*其具有： 一用於回應入射光及控制信號以提供感應器信號之像素 :結構，其具有一組光選擇元件，該元件具有預定厚度以只丨 :吸收波長對應光譜可見光區域之光線； | 一重疊於像素結構上之濾波器元件陣列； 一控制電路，其產生用於控制該影像感應器之該控制信
    第16頁 417389 六、申請專利範圍 號；及 信號處理電路，其用於回應該感應信號以產生影像資 料。 9.如申請專利範圍第8項之影像系統，其中該組光選擇 元件包含一個二極體。 1 0.如申請專利範圍第9項之影像系統，其中該組光選擇 元件尚包含一傳導層，該傳導層由上述二極體形成。 11.如申請專利範圍第9項之影像系統，其中該二極體包 含一氫化多形矽（a-Si:H)接腳二極體。 1 2.如申請專利範圍第1 0項之影像系統，其中該第一傳 導層包含氧化銦錫（ITO)。 1 3.如申請專利範圍第1 1項之影像系統，其中該氫化多 形矽（a-Si: H)接腳二極體具有0.02 至1,0 μπι範圍之 厚度。 1 4.如申請專利範圍第1 2項之影像系統，其中該I TO層具 有0,08 至0.2 μιη範圍之厚度。 1 5.如申請專利範圍第8項之影像系統，其中諒控制電路 包含CMOS裝置。 1 6.如申請專利範圍第8項之影像系統，其中該控制電路 包含CCD裝置。 1 7. —種形成具有一組光選擇元件之像素結構之方法， 該方法包含下列步驟： 調製該組光選擇元件之厚度以只吸收具有對應光譜可見 光範圍波長之光線。
    O:\59\59110.PTD 第17頁
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