TWI402978B - 具光導層之像素 - Google Patents
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Description
本發明係有關於具光導層之像素。
典型的彩色攝影機影像感測器是用3個個別的像素形成單色像素，其中各個個別的像素有置於彼之上方的紅色、綠色、或者是藍色透射濾光片(transmission filter)以便使該像素對通過濾光片的色彩會感光而對於被濾光片阻擋的色彩不感光。底下的半導體光感測器通常為一光電伏打感測器(photovoltaic sensor，亦即，光電二極體)或電荷耦合裝置(CCD)。
儘管此類影像感測器已被廣泛使用，不過仍有數種缺點。第一，由於要用3個“基本”像素做成一個彩色像素，此類影像感測器需要大晶片面積。例如，1百萬像素彩色攝影機影像感測器需要3百萬像素的“黑白”影像感測器。此外，由於彩色像素實際為一小陣列而不是“點”，在成像一細微的正規圖樣時，此類影像感測器對於各種成像偽影(imaging artifact)很敏感，例如“人字形”效應。此外，透射濾光片通常是以有機(例如，塑膠)染料為基底且溫度穩定性不足，容易褪色(bleaching)且昂貴。
在為了克服此等缺點的企圖中，有一種彩色影像感測器(color image sensor)是採用垂直堆疊3個分開的光電二極體來形成單一彩色像素，其中這3個光電二極體中之每一個都由p－n接面組成，該等p－n接面係由p型及n型摻雜半導體材料形成且各自吸收紅光、綠光或者是藍光。由於該像素有垂直性，大體可減少影像感測器的尺寸和與光吸收差異有關的成像偽影。此外，由於是用形成光電二極體的半導體材料進行濾光，因此不需要透射濾光片。
不過，p－n接面的操作對於半導體結晶結構內的缺陷很敏感，此等缺陷會導致以吸收入射光所形成的電子電洞對(electron－hole pair)會再結合且產生熱，而不是想要的光電伏打效應(photovoltaic effect)。同樣地，必須小心控制此類光電二極體的形成，而且為了獲致最佳結果，通常需要使用單晶半導體。此外，通常是用擴散或離子植入製程以相對高溫來形成p－n接面且對於所採用的基板類型常有敏感性。取決於p－n接面的深度，也可能需要進行磊晶製程(epitaxial process)。由於通常需要用高溫來形成p－n接面，因此某些材料(例如，玻璃與塑膠)不能用作基板材料。此外，某些半導體材料無法成為p型或者是n型，因此，無法用於光電二極體。
本發明之一方面係提供一種像素，其係包含一基板；以及，多個光導層，彼等係順序沉積於該基板上且大體與該基板平行而且經組態成可接收入射電磁輻射。各個光導層係經組態成可吸收不同波長範圍的入射電磁輻射且經組態成可提供一確切的入射電磁輻射量，該入射電磁輻射係基於該層之電導(conductance)變化而在對應的波長範圍內被該層吸收。
參考以下附圖可更加瞭解本發明的具體實施例。附圖中的元件不一定按比例繪出。類似的元件用相同的元件符號表示。
第1圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第2A圖為圖示一半導體材料之光吸收特性的曲線圖。
第2B圖為圖示一半導體材料之光吸收特性的曲線圖。
第3圖係根據本發明之一具體實施例圖示一像素陣列的方塊圖。
第4圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第5圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第6圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第7圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第8圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第9圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
在以下的詳細說明中，會參考形成說明之一部份的附圖，該等附圖係圖示可實施本發明的特定具體實施例。在這點上，說明時所用的方向性術語，例如“上”、“下”、“前”、“後”、“在前”、“在後”、等等是參考附圖的方位。由於本發明具體實施例的組件可位於多種不同的方位，所以方向性術語是用來圖解說明且不具限定性。應瞭解，可使用其他具體實施例且可做結構或邏輯上的改變而不脫離本發明的範疇。因此，以下的詳細說明沒有限定本發明的意思，而且本發明的範疇是用附上之申請專利範圍來界定。
第1圖的方塊示意圖係根據本發明大體圖示使用數個光導層的像素30之一具體實施例。像素30包含一基板32、一第一光導層34、一第二光導層36、以及一第三光導層38。在一具體實施例中，基板32係由一半導體材料組成。在一具體實施例中，請參考第1圖，基板32由矽組成。在其他具體實施例中，如以下更詳細之說明所描述的，基板32可由其他材料組成，例如玻璃或塑膠。
在一具體實施例中，第一、第二、第三半導體層34、36、38各由一半導體材料組成。在一具體實施例中，如第1圖所示，第一、第二、第三半導體層34、36、38各由n型矽組成。在其他具體實施例中，第一、第二、第三半導體層34、36、38可由任何電導會隨著吸收電磁輻射而改變的適當材料組成(亦即，光導材料)。
絕緣層40、42及44分別配置於基板32與第一半導體層34之間，第一與第二半導體層34與36之間，以及第二與第三半導體層36與38之間。在一具體實施例中，絕緣層40、42及44係由介電材料組成，彼等係支撐且使第一、第二、第三半導體層34、36、38彼此電氣隔離且與基板32電氣隔離。
引線(lead)46與48各自經由沉積於第一半導體層34上的金屬接觸50與52而與第一半導體層34的兩端耦合。引線54與56各自經由沉積於第二半導體層36上的金屬接觸58與60而與第二半導體層36的兩端耦合。引線62與64各自經由沉積於第二半導體層38上的金屬接觸66與68而與第三半導體層38的兩端耦合。
像素30係經組態成可接收由一波長範圍組成的入射電磁輻射70。在一具體實施例中，像素30係經組態成在積分週期(integration period)期間可接收入射電磁輻射70。在一具體實施例中，入射電磁輻射70由電磁光譜中可見光部份的光組成(亦即，波長由約700奈米至約400奈米)。在其他具體實施例中，入射電磁輻射70可由電磁光譜中紫外線部份的波長組成(約400奈米至10奈米)以及由電磁光譜中紅外線部份的波長組成(約1毫米至約750奈米)。
光導材料(例如，第一、第二、第三半導體層34、36、38的電導會隨著吸收電磁輻射而改變。通常半導體材料(包含，矽)的電阻在能量大於光導材料之帶隙能量的電磁輻射後會減少，導致該半導體材料的導電度(electrical conductivity)增加。
基於電磁輻射的能量，電磁輻射會透入半導體材料且在不同的深度被吸收。如果該電磁輻射的能量大於該半導體材料的帶隙能量，則電磁輻射會被該半導體材料吸收。電磁輻射的能量超過半導體材料的帶隙能量愈多，電磁輻射被吸收的速度會更快。另外，由於電磁輻射的能量通常與其波長有關，通常波長較短的能量高於波長較長的能量，與較短的波長相比，較長的波長通常會透入半導體材料且在較深處被吸收。
第2A圖的曲線圖80大體圖示一半導體材料(例如，矽)之塊體樣本對於以不同波長入射於半導體材料之可見光的光吸收特性。x軸為光透入塊體半導體材料的深度(D)82。y軸為入射光的相對強度(I)84，其中入射強度(IO
)以86表示。曲線88圖示藍光(約450奈米波長)的吸收，曲線90圖示綠光(約550奈米波長)的吸收，以及曲線92圖示紅光(約650奈米波長)的吸收。如圖示，能量較高的藍光88被吸收的速度快於能量較低的綠光90與紅光92，但綠光90與紅光92在被吸收之前會透入半導體材料更深些。
儘管第2A圖圖示半導體材料之一塊體樣本的吸收性質，然而半導體材料不需有連續性才能吸收入射光。第2B圖的曲線圖100係圖示第2A圖半導體材料的光吸收特性，其中該半導體層係由3層組成，圖中為層102、104及106。曲線108圖示藍光(約450奈米波長)的吸收，曲線110圖示綠光(約550奈米波長)的吸收，以及曲線112圖示紅光(約650奈米波長)的吸收。光的吸收與第2A圖的類似，除了層與層之間沒有光被吸收以外。關於第2B圖，該等層之深度係使得藍光大部份被層102吸收，綠光大部份被層104吸收，紅光大部份被層106吸收。
請再參考第1圖，在一具體實施例中，第一、第二、第三半導體層34、36、38各被組態成可吸收不同波長範圍的電磁輻射。在一具體實施例中，各個半導體層係經組態成可吸收電磁光譜中可見光部份的不同部份(約400奈米至約700奈米)，其中第一半導體層34被組態成可吸收大部份的紅光(約650奈米波長)，第二半導體層36被組態成可吸收大部份的綠光(約550奈米波長)，第三半導體層38被組態成可吸收大部份的藍光(約450奈米波長)。
在一具體實施例中，絕緣層40、42及44係由透光介電材料組成(亦即，大體不吸收電磁輻射)。在一具體實施例中，絕緣層40、42及44由二氧化矽(SiO2
)組成。在一具體實施例中，絕緣層40、42及44由氮化矽(Si3
N4
)組成。
在一具體實施例中，像素30是在積分週期期間接受電磁輻射70，其中第一、第二、第三半導體層34、36、38吸收大體在彼等各自之波長範圍內的光線。以與上述類似的方式，第一、第二、第三半導體層34、36、38的導電度各自會隨著被各層所吸收之紅光、綠光及藍光的數量而改變。在一具體實施例中，通過引線62與64、54與56、以及46與48，藉由監測第一、第二、第三半導體層34、36、38的電阻，各自測定第一、第二、第三半導體層34、36、38的導電度變化，從而測定紅光、綠光及藍光在積分週期期間被吸收的數量。在一具體實施例中，如以下更詳細之說明所描述的，第一、第二、第三半導體層34、36、38的電阻是用在第一、第二、第三半導體層34、36、38下方之矽基板32中形成的讀出電路72監測。
在一具體實施例中，基於導電度變化，用讀出電路72測定在積分週期期間各自被第一、第二、第三半導體層34、36、38吸收之紅光、綠光及藍光的數量且經由輸出74、76、78電子訊號。同樣地，如以上說明第1圖時所述，像素30可稱作3色(RGB)像素。如第3圖所示，一陣列116的3色像素30可用來形成影像感測器(例如攝影機內的)，其中經由各個像素30輸出74、76、78提供的電子訊號可用來形成數位彩色影像。在一具體實施例中，如以下在說明第10圖時會更詳細描述的，單一3色像素30可用來形成一個可控制一“白色”光源的色彩檢測器(color sensor)。
由於像素30是用本發明的光導層(例如，第一、第二、第三半導體層34、36、38)，而且是基於光導效應(photoconductive effect)，所以像素30不像使用光電二極體、基於光電伏打的習知感測器那樣要有p－n接面。結果，像素30提供數種超越習知感測器的優點。
第一，由於光導效應通常對半導體缺陷不敏感，可用多晶形(polycrystalline)和其他類型的半導體形成像素30，且不像採用p－n接面、基於光電伏打的感測器那樣受限於要採用單晶半導體。例如，在一示範具體實施例中，像素30的第一、第二、第三半導體層34、36、38是用非晶形氫化矽(amorphous hydrogenated silicon，α－Si：H)形成。
此外，形成像素30的半導體材料可用可能難以製成p型材料(因此，一般無法被基於光電伏打的感測器採用)的半導體材料。此類半導體材料的例子包括：硫化鎘(cadmium sulphide)、碳(鑽石)、以及碳化矽，後兩者大體適合用來吸收紫外線輻射，以下會有更詳細的說明。
此外，與為了適當地形成p－n接面而需要擴散、離子植入法、磊晶製程的情形相反，形成像素30的半導體層(例如，第一、第二、第三半導體層34、36、38)可用相對簡單且便宜的薄膜沉積技術。在一具體實施例中，例如，可用數種電鍍技術(electro－plating technique)形成像素30的半導體層。也可採用其他習知的薄膜沉積技術，例如濺鍍沉積技術(sputtering deposition technique)、蒸鍍沉積技術(evaporation deposition technique)、以及化學氣相沉積技術。
由於可以低溫完成此類薄膜沉積技術，像素30的基板32可由低成本材料組成，例如玻璃與塑膠(彼等通常無法用於p－n接面的高溫形成)。也可採用其他的基板材料，例如陶瓷、金屬、塑膠合成物(例如，纖維玻璃)、以及其他可沉積半導體層於其上的介電材料。
藉由使用此類薄膜沉積技術，且如以下更詳細之說明所描述的，像素30中每一個半導體層可由不同的半導體材料組成，該等半導體材料係經定做成可吸收不同波長範圍的可見光或電磁光譜其他部份的波長範圍(例如，紅外線與紫外線)。半導體材料的例子包含：碳(鑽石)與碳化矽(適合用來吸收紫外線輻射)、鍺(適合用來吸收近紅外線)、碲鎘汞(mercury cadmium telluride，適合用來吸收中紅外線)、以及氮化鎵(適合用來吸收遠紅外線)。其他的半導體材料包括：鍺矽合金(有可隨著合金比例而改變的帶隙能量)，砷化鎵、以及氮化鎵。
藉由沉積該等光導層(例如，基板32上的第一、第二、第三光導層34、36、38)，像素30使得在諸層下的基板32中可整合讀出及訊號處理電路(例如，讀出電路72)。同樣地，在像素30當地即可進行訊號讀出和處理大量訊號，這使得使用像素30之陣列(例如陣列116)的影像感測器可更加緊湊。
根據本發明的具體實施例，使用數層順序沉積於基板上且大體與該基板平行之光導層的像素30可提供用單一“垂直”彩色像素產生彩色影像，相反地大部份習知影像感測器是3個橫向配置的單色像素。此外，相較於利用光電伏打效應且需要形成p－n接面的“垂直”像素，本發明具體實施例的利用半導體光導性的像素30比較容易製造也不昂貴，而且更能容忍半導體缺陷(亦即，不受限於單晶半導體)。
第4圖係圖示讀出電路72之一示範具體實施例的一部份，也請參考第1圖的讀出電路72。讀出電路72包含一控制器118、一開關119(例如，電晶體)、以及一讀出電容器(readout capacitor)120。讀出電路72係經由引線46與48跨層耦合於第一半導體層34，其中可變電阻122是表示第一半導體層34的可變電阻。讀出電路另外耦合於一恆定電壓源124且耦合於共用電壓源或接地125。在一具體實施例中，在積分週期之前，開關119是在“開啟”位置以便使讀出電容器120放電。
在積分週期初始化之後，控制器118關閉開關119以便使讀出電容器120與電壓源124耦合且構成一通過第一半導體層34的可變電阻122至接地125的電路。當電磁輻射70以可見光的形式入射像素30時，第一半導體層34開始吸收紅光而改變可變電阻122的電阻。在積分週期期間，讀出電容器120開始累積電荷，其中電荷累積量是取決於可變電阻122的電阻，從而，是取決於紅光被第一半導體層34吸收的數量。
在積分週期完成時，控制器118打開開關119且使電壓源124與讀出電容器120去耦合。隨後，控制器118測定讀出電容器120的累積電荷且基於該累積電荷在74處提供一表示紅光在積分週期期間被第一半導體層34吸收之數量的電子訊號。雖然未圖示，與讀出電容器120相似的讀出電容器會與每一個第二、第三半導體層36、38連繫及耦合且以控制器118監測以在76與78處提供表示在積分週期期間被第二與第三半導體層36與38吸收之綠光與藍光的電子訊號。
應注意，以上圖示於第4圖的讀出電路72係與一種常用於動態隨機存取記憶體(DRAM)架構的1個電晶體搭配1個電容器(1T1C)記憶格相似。也應注意，第4圖讀出電路72納入本文是僅供圖解說明且有許多架構與結構可用來監測電導且測定在積分週期期間光被第一、第二、第三半導體層34、36、38吸收的數量。
雖然以上在參考第1至4圖時所描述的像素30是3色檢測器，然而本發明使用數層光導層的像素可被組態成可以感測多於或少於3種的色彩。
第5圖的方塊圖係根據本發明大體圖示6色像素130之一具體實施例。像素130包含一基板132、一第一半導體層134、一第二半導體層136、一第三半導體層138、一第四半導體層140、一第五半導體層142、以及一第六半導體層144。絕緣層146、148、150、152、154、156係支撐該等半導體層且使該等半導體層彼此電氣隔離和與基板132電氣隔離。在一具體實施例中，絕緣層146、148、150、152、154、156係由透光介電材料組成，例如二氧化矽(SiO2
)與氮化矽(Si3
N4
)。
在一具體實施例中，像素30係經組態成可接收由電磁光譜中可見光部份組成的入射電磁輻射70。在一具體實施例中，每一個第一至第六半導體層134、136、138、140、142、144係經組態成可吸收不同波長範圍的可見光。在一具體實施例中，第一半導體層134係經組態成可吸收大部份的紅光(680奈米波長)，第二半導體層136係經組態成可吸收大部份的橘光(610奈米波長)，第三半導體層138係經組態成可吸收大部份的黃光(580奈米波長)，第四半導體層140係經組態成可吸收大部份的綠光(550奈米波長)，第五半導體層142係經組態成可吸收大部份的藍光(470奈米波長)，以及第六半導體層144係經組態成可吸收大部份的紫光(400奈米波長)。
在一具體實施例中，如第5圖所示，第一至第六半導體層134、136、138、140、142、144各包含一n型非晶形氫化矽(α
－Si：H)。在一具體實施例中，如第一半導體層134的深度(D)157所示，每一個第一至第六半導體層134、136、138、140、142、144的厚度或深度會隨著接近基板132的程度而增加藉此使得各個半導體層可逐層吸收波長愈長透入像素130愈深的入射可見光70。
引線對(lead pair)158(R1)與160(R2)、162(O1)與164(O2)、166(Y1)與168(Y2)、170(G1)與172(G2)、174(B1)與176(B2)、178(V1)與180(V2)係各自耦合於第一至第六半導體層134、136、138、140、142、144的兩對邊且使得對應半導體層的電導可被監測以便測定在積分週期期間入射光70被各個半導體層吸收的數量，例如方式是與以上在描述第1與4圖時所用的相似。
雖然第5圖中圖示的是由n型非晶形氫化矽(α－Si：H)組成，第一至第六半導體層134、136、138、140、142、144都不受限於此一材料且可由其他半導體材料組成，包括p型、n型、以及本徵摻雜(intrinsically doped)的半導體材料。此外，雖然第1圖3色像素30和第5圖6色像素130的半導體層是描述每一個都由同一種半導體材料組成的半導體層，然而像素的半導體層(例如，像素30的第一、第二、第三半導體層34、38、38)可各由不同類型的半導體材料組成。
第6圖的方塊圖係根據本發明大體圖示3色(RGB)像素230之一具體實施例，其中每一個半導體層是由有不同帶隙能量的不同半導體材料組成。像素230包含一基板232、一第一半導體層234、一第二半導體層236、一第三半導體層238、以及絕緣層240、242、244。
在一具體實施例中，第一、第二、第三半導體層234、236、238各由有不同帶隙能量的不同半導體材料組成使得第三半導體層238的帶隙能量大於第二半導體層236的帶隙能量，而第二半導體層236的帶隙能量大於第一半導體層234的帶隙能量。換言之，第一、第二、第三半導體層234、236、238的帶隙能量是逐層隨著接近基板232的程度而減少。
在一具體實施例中，組成第三半導體層238的半導體材料係具有經組態成可吸收大部份的藍光(450奈米波長)且讓所有其他波長可通過的帶隙能量。在一具體實施例中，第三半導體層238是由非晶形氫化碳化矽(α-SiC：H)組成。在一具體實施例中，組成第二半導體層236的半導體材料具有經組態成可吸收大部份的綠光(550奈米波長)且讓所有其他波長可通過的帶隙能量。在一具體實施例中，第二半導體層236由非晶形氫化矽(α
-Si：H)組成。在一具體實施例中，組成第一半導體層234的半導體材料具有經組態成可吸收大部份的紅光(650奈米波長)且讓所有其他波長可通過的帶隙能量。在一具體實施例中，第一半導體層234係由非晶形氫化矽鍺(α-SiGe：H)組成。
引線對246(R1)與248(R2)、254(G1)與256(G2)、262(B1)與264(B2)係各自耦合於第一、第二、第三半導體層234、236、238的兩對邊且使得對應半導體層的電導可被監測以便測定在積分週期期間入射光70被各個半導體層吸收的數量，例如方式是與以上在描述第1與4圖時所用的相似。
第7圖的方塊圖係根據本發明大體圖示像素330之一具體實施例，其中每一個半導體層形成法布里-伯羅共振器器(Fabry－Perot resonator)的一部份。像素330包含一基板332、一第一半導體層334、一第二半導體層336、一第三半導體層338、以及絕緣層340、342、344。
在一具體實施例中，如第7圖所示，第一、第二、第三半導體層各由n型矽組成。在一具體實施例中，第一半導體層334係經組態成可吸收大部份的紅光(650奈米)，第二半導體層336係經組態成可吸收大部份的綠光(550奈米)，第三半導體層338係經組態成可吸收大部份的藍光(450奈米)。
在第一半導體層334的兩對邊上配置介電層346與348藉此形成第一法布里－伯羅空腔(Fabry－Perot cavity)或共振器350。同樣，在第二半導體層336的兩對邊上配置介電層352與354藉此形成第二法布里－伯羅共振器356，在第三半導體層338的兩對邊上配置介電層358與360以形成第三法布里－伯羅共振器362。
如本技藝一般人員所習知的，兩種有不同折射率的材料之間的界面基於該等材料的折射率與深度會反射某一波長或波長範圍的光線。在一具體實施例中，第三半導體層338以及介電層358與360的折射率與深度係經組態成可反射入射光70大部份與藍光對應的波長且在第三法布里－伯羅共振器362的第三半導體層338內共振同時讓其他波長通過。
同樣，第二半導體層336以及介電層352與354的折射率與深度係經組態成可反射入射光70大部份與綠光對應的波長且在第二法布里－伯羅共振器356的第二半導體層336內共振，第一半導體層334以及介電層346與348的折射率與深度係經組態成可反射入射光70大部份與紅光對應的波長且在第一法布里－伯羅共振器350的第一半導體層334內共振。
如上述，使用第一、第二、第三法布里－伯羅共振器350、356、362藉此各能以入射光70的想要波長或波長範圍共振，使得第一、第二、第三半導體層334、336、338各自可吸收紅光、綠光、藍光而讓其他的光線通過且不吸收。
引線對364(R1)與366(R2)、368(G1)與370(G2)、372(B1)與374(B2)各自經由導電層346、352、358而耦合至第一、第二、第三半導體層334、336、338的兩對邊，且使得對應半導體層的電導可被監測以便測定在積分週期期間入射光70被各個半導體層吸收的數量，例如方式是與以上在描述第1與4圖時所用的相似。
雖然以上圖示及描述的是用數對介電層346與348、352與354、358與360各自形成法布里－伯羅共振器350、356、362，在其他具體實施例中，可形成該等法布里－伯羅共振器而不用該等成對的介電材料且只使用絕緣層340、342、344。在此一具體實施例中，只有介電層360是用來形成法布里－伯羅共振器362的上層。例如，在一具體實施例中，第一法布里－伯羅共振器350是由第一半導體層334與絕緣層340、342形成，第二法布里－伯羅共振器356是由第二半導體層336與絕緣層342、344形成，第三法布里－伯羅共振器362是由第三半導體層338、絕緣層344、介電層360形成。在此一具體實施例中，半導體層334、336、338，絕緣層340、342、344以及介電層360的深度和組合物係經選定及組態使得每一個法布里－伯羅共振器可反射入射輻射中之想要的波長範圍且產生共振。
第8圖的方塊圖係根據使用數個干涉濾光片(interference filter)的本發明大體圖示3色(RGB)像素430之一具體實施例。像素430包含一基板432、一第一半導體層434、一第二半導體層436、以及一第三半導體層438。在一具體實施例中，第一半導體層434係經組態成可吸收大部份的紅光(650奈米)，第二半導體層436係經組態成可吸收大部份的綠光(550奈米)，第三半導體層438係經組態成可吸收大部份的藍光(450奈米)。第一干涉濾光片440沉積於第一半導體層434之間，第二干涉濾光片442沉積於第一、第二半導體層434、436之間，第三干涉濾光片444沉積於第二、第三半導體層436、438之間。
如上述，且如本技藝一般人員所習知的，兩種有不同折射率的材料之間的界面基於該等材料的折射率與深度會反射某一波長或波長範圍的光線。在一具體實施例中，如第8圖所示，第一、第二、第三干涉濾光片440、442、444各包含數個交替有不同折射率的介電材料層(亦即，該等介電材料中之一種有比其他介電材料高的折射率)。在一具體實施例中，第一、第二、第三干涉濾光片340、342、344係由二氧化矽(SiO2
)與氮化矽(Si3
N4
)的交替層組成。
在一具體實施例中，第三干涉濾光片444的折射率、深度、交替層數係經組態成能使得第三干涉濾光片444可反射入射光70中之大部份的藍光波長進入第三半導體層438同時讓所有其他波長穿過。同樣，第二干涉濾光片442的折射率、深度、交替層數係經組態成能反射入射光70中之大部份的綠光波長進入第二半導體層436，以及第一干涉濾光片440的折射率、深度、交替層數係經組態成能反射入射光70中之大部份的紅光波長進入第一半導體層434。
如上述，使用第一、第二、第三干涉濾光片440、442、444藉此反射入射光70的想要波長或波長範圍，使得第一、第二、第三半導體層434、436及438能各自吸收紅光、綠光及藍光而讓其他的光線通過且不吸收。
引線對446(R1)與448(R2)、454(G1)與456(G2)，以及462(B1)與464(B2)各自耦合至第一、第二、第三半導體層434、436及438的兩對邊，且使得對應半導體層的電導可被監測以便測定在積分週期期間入射光70被各個半導體層吸收的數量，例如方式是與以上在描述第1與4圖時所用的相似。
第9圖的方塊圖大體圖示一使用代替絕緣層之p－n接面來隔離光導層的本發明像素530之一具體實施例。像素530包含：一基板532、一第一半導體層534、一第二半導體層536、以及一第三半導體層538。在一具體實施例中，第一半導體層534係經組態成可吸收大部份的紅光(650奈米)，第二半導體層536係經組態成可吸收大部份的綠光(550奈米)，以及第三半導體層538係經組態成可吸收大部份的藍光(450奈米)。
第一、第二、第三半導體層534、536、538係由交替p型、n型半導體材料組成，藉此在第一、第二半導體層534、536之間的界面區，以及在第二、第三半導體層536、538之間的界面區形成p－n接面。由該等p－n接面形成的空乏區會“自行隔離”第一、第二半導體層534、536以及第二、第三半導體層536、538。在一具體實施例中，如圖示，第一與第三半導體層534與538包含n型矽而第二半導體層536包含p型矽。不過，第一、第二、第三半導體層534、536、538可由其他合適的n型、p型半導體組成。
引線對546(R1)與548(R2)、554(G1)與556(G2)、以及562(B1)與564(B2)各自耦合至第一、第二、第三半導體層534、536、538的兩對邊，且使得對應半導體層的電導可被監測以便測定在積分週期期間入射光70被各個半導體層吸收的數量，例如方式是與以上在描述第1與4圖時所用的相似。
儘管本文已描述及圖示數個特定具體實施例，然而本技藝一般技術人員應瞭解，所描述及圖示的具體實施例可被各種替代及/或等價的具體實作代替而不脫離本發明的範疇。希望本申請案可涵蓋本文所描述之具體實施例的任何修改或變體。因此，希望本發明只受限於申請專利範圍及其等價陳述。
30．．．像素
32．．．基板
34．．．第一光導層
36．．．第二光導層
38．．．第三光導層
40,42,44．．．絕緣層
46,48．．．引線
50,52．．．金屬接觸
54,56．．．引線
58,60．．．金屬接觸
62,64．．．引線
66,68．．．金屬接觸
70．．．入射電磁輻射
72．．．讀出電路
74,76,78．．．輸出
80．．．曲線圖
82．．．深度(D)
84．．．相對強度(I)
86．．．入射強度(IO
)
88．．．藍光曲線
90．．．綠光曲線
92．．．紅光曲線
100．．．曲線圖
102,104,106．．．層
108．．．藍光曲線
110．．．綠光曲線
112．．．紅光曲線
116．．．陣列
118‧‧‧控制器
119‧‧‧開關
120‧‧‧讀出電容器
122‧‧‧可變電阻
124‧‧‧恆定電壓源
125‧‧‧共用電壓源或接地
130‧‧‧像素
132‧‧‧基板
134‧‧‧第一半導體層
136‧‧‧第二半導體層
138‧‧‧第三半導體層
140‧‧‧第四半導體層
142‧‧‧第五半導體層
144‧‧‧第六半導體層
146,148,150,152,154,156‧‧‧絕緣層
158(R1)‧‧‧引線對
160(R2)‧‧‧引線對
162(O1)‧‧‧引線對
164(O2)‧‧‧引線對
166(Y1)‧‧‧引線對
168(Y2)‧‧‧引線對
170(G1)‧‧‧引線對
172(G2)‧‧‧引線對
174(B1)‧‧‧引線對
176(B2)‧‧‧引線對
178(V1)‧‧‧引線對
180(V2)‧‧‧引線對
230‧‧‧3色(RGB)像素
232‧‧‧基板
234‧‧‧第一半導體層
236‧‧‧第二半導體層
238‧‧‧第三半導體層
240,242,244‧‧‧絕緣層
246(R1)‧‧‧引線對
248(R2)‧‧‧引線對
254(G1)‧‧‧引線對
256(G2)‧‧‧引線對
262(B1)‧‧‧引線對
264(B2)‧‧‧引線對
330‧‧‧像素
332‧‧‧基板
334‧‧‧第一半導體層
336‧‧‧第二半導體層
338‧‧‧第三半導體層
340,342,344‧‧‧絕緣層
346,348‧‧‧介電層
350‧‧‧第一法布里-伯羅空腔或共振器
352,354．．．介電層
356．．．第二法布里－伯羅共振器
358,360．．．介電層
362．．．第三法布里－伯羅共振器
364(R1)．．．引線對
366(R2)．．．引線對
368(G1)．．．引線對
370(G2)．．．引線對
372(B1)．．．引線對
374(B2)．．．引線對
430．．．3色(RGB)像素
432．．．基板
434．．．第一半導體層
436．．．第二半導體層
438．．．第三半導體層
440．．．第一干涉濾光片
442．．．第二干涉濾光片
444．．．第三干涉濾光片
446(R1)．．．引線對
448(R2)．．．引線對
454(G1)．．．引線對
456(G2)．．．引線對
462(B1)．．．引線對
464(B2)．．．引線對
530．．．像素
532．．．基板
534．．．第一半導體層
536．．．第二半導體層
538．．．第三半導體層
546(R1)．．．引線對
548(R2)．．．引線對
554(G1)．．．引線對
556(G2)．．．引線對
562(B1)．．．引線對
564(B2)．．．引線對
第1圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第2A圖為圖示一半導體材料之光吸收特性的曲線圖。
第2B圖為圖示一半導體材料之光吸收特性的曲線圖。
第3圖係根據本發明之一具體實施例圖示一像素陣列的方塊圖。
第4圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第5圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第6圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第7圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第8圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
第9圖為圖示本發明像素之一具體實施例的方塊示意圖。
30．．．像素
32．．．基板
34．．．第一光導層
36．．．第二光導層
38．．．第三光導層
40,42,44．．．絕緣層
46,48,54,56,62,64．．．引線
50,52,58,60,66,68．．．金屬接觸
70．．．入射電磁輻射
72．．．讀出電路
74,76,78．．．RGB輸出
B1&B2,G1&G2,R1&R2．．．引線對
Claims (25)
- 一種像素，其係包含：一基板；以及多個光導層，彼等係順序積設於該基板上且大體與該基板平行而且經組配成可接收入射電磁輻射，其中各個光導層係經組配成可吸收不同波長範圍的入射電磁輻射，且經組配成可基於該層之電導變化提供該層所吸收入射電磁輻射量之一指示。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中各個光導層係由一半導體材料組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之彩色像素，該半導體材料係由非晶形氫化矽組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中在各個光導層之間以及在該等多個光導層中之第一光導層與該基板之間配置一絕緣層。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中一對介電層係經積設於各個光導層的相反表面上且與之呈平行，藉此各個光導層與對應的一對介電層形成一法布里-伯羅共振器，該法布里-伯羅共振器係經組配成可使在經組配成可被該光導層吸收之波長範圍內的電磁輻射波長共振。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中在各個光導層與該入射電磁輻射所照射的一表面相反的一表面上配置和其平行的一干涉濾光片，其中各個干涉濾光片係經 組配成可大體反射所有在經組配成可被對應光導層吸收之波長範圍內的電磁輻射波長，且可讓大體所有的其他電磁輻射波長通過。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中各個光導層由一相同的半導體材料組成，以及其中各個光導層的層深度隨著接近該基板的程度而增加，藉此該等多個光導層中最靠近該基板的第一光導層有最深的層深度，而該等多個光導層中離該基板最遠的最後一個光導層有最淺的層深度。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中各個光導層由一不同的半導體材料組成，以及其中各個光導層之半導體材料的帶隙能量係隨著接近該基板的程度而減少，藉此該等多個光導層中最靠近該基板的第一光導層有最低帶隙能量，而該等多個光導層中離該基板最遠的最後一個光導層有最高帶隙能量。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中該像素係使用薄膜沉積技術形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，更包含一配置在該等光導層下方之該基板中的讀出電路，其中該讀出電路係耦合於各個光導層，且經組配成可基於各層之導電度變化而提供在積分週期期間被各層吸收之電磁輻射量的一指示。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中該等多個光導層係由一相同半導體材料製成之p型、n型交替層組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中該等多個光導層係經組配成可吸收電磁頻譜中可見光部份的電磁輻射波長。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中該等多個光導層係經組配成可吸收電磁頻譜中紅外線部份的電磁輻射波長。
- 如申請專利範圍第1項所述之像素，其中該等多個光導層係經組配成可吸收電磁頻譜中紫外線部份的電磁輻射波長。
- 一種彩色像素，其係包含：一基板；以及一第一、一第二、一第三半導體層，彼等係經積設於該基板上使得該第一半導體層離該基板最近而該第二半導體層是在該第一與該第三半導體層之間，其中該第一半導體層係經組配成可吸收入射光中對應於紅光的波長範圍，該第二半導體層係經組配成可吸收入射光中對應於綠光的波長範圍，以及該第三半導體層係經組配成可吸收入射光中對應於藍光的波長範圍，以及其中該等第一、第二、第三半導體層各被組配成可基於該層之導電度變化而提供在對應的波長範圍內被吸收的入射光數量之一指示。
- 如申請專利範圍第15項所述之彩色像素，其中該等第一、第二、第三半導體層各由一相同的半導體材料組成。
- 如申請專利範圍第16項所述之彩色像素，其中該第一半 導體層有大於該第二半導體層之厚度的厚度，而該第二半導體層有大於該第三半導體層之厚度的厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之彩色像素，其中該等第一、第二、第三半導體層各由不同的半導體材料組成，且其中該第一半導體層有小於該第二半導體層之帶隙能量的帶隙能量，而該第二半導體層有小於該第一半導體層之帶隙能量的帶隙能量。
- 一種包含一組像素陣列的彩色影像感測器，其中各個像素包含：一基板；以及多個光導層，彼等係順序積設於該基板上且大體與該基板平行，而且經組配成可接收入射電磁輻射，其中各個光導層係經組配成可吸收不同波長範圍的入射電磁輻射，且經組配成可基於該層之電導變化而提供該層所吸收入射電磁輻射量的一指示。
- 如申請專利範圍第19項所述之彩色影像感測器，其中每一該等像素共有一共用基板。
- 一種操作一像素的方法，該方法包含：接收入射電磁輻射；用多個光導層吸收該入射電磁輻射中多個對應不同範圍的波長，其中相對於該入射電磁輻射，該等光導層係垂直排列；以及基於對應光導層的導電度變化，測定在每一該等不同波長範圍內被吸收的電磁輻射量。
- 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中吸收多個不同範圍的波長係包含吸收電磁頻譜中可見光部份內之多個不同範圍的波長。
- 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中吸收多個不同範圍的波長係包含：用一第一光導層吸收對應於紅光的波長範圍；用一第二光導層吸收對應於綠光的波長範圍；以及用一第三光導層吸收對應於藍光的波長範圍，其中該等光導層係排列成使得該第一光導層離該入射電磁輻射之一來源最遠，而該第三光導層離該入射電磁輻射之該來源最近。
- 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中吸收多個不同範圍的波長係包含吸收電磁頻譜中紅外線部份內之多個不同範圍的波長。
- 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中吸收多個不同範圍的波長係包含吸收電磁頻譜中紫外線部份內之多個不同範圍的波長。
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