TWI478332B - 彩色影像感測器的單元畫素及其光電探測器 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種彩色影像感測器的單元畫素(unit pixel)及其光電探測器。
影像感測器係為一種用於將光訊號轉變成電影像訊號的感測器。當光照射至位於影像感測器晶片的單元畫素內部之光吸收部件時，影像感測器檢測入射至每一單元畫素的光以及光線量，並且將光訊號轉變成電訊號，然後將電訊號傳送至類比數位電路以形成影像。
常規的影像感測器可基於其結構與作業原理分類成CCD(電荷耦合器件)型以及CMOS(互補金屬氧化物半導體)型。CMOS型影像感測器通常稱作CIS(CMOS影像感測器)。
在CCD型影像感測器中，透過施加至閘極的脈波，由光在畫素處產生的多組訊號電子傳送至一輸出單元，轉變成輸出單元的電壓，並且逐一發送出。
在CMOS型影像感測器中，透過光在畫素處產生的訊號電子以及電洞轉變成畫素內部的電壓。這些電壓連接至包含行解碼器以及列解碼器的訊號處理器，並且透過隨著時鐘頻率的切換作業而自畫素發送出。
對於入射至影像感測器的單元畫素光吸收部件的一個光子，
產生一個電子-電洞對(EHP)，並且所產生的電子和電洞在作為光吸收部件的光電二極體中累積。
光電二極體的最大累積靜電容量與光電二極體的光電檢測面積成比例。特別地，在CMOS型影像感測器的情況下，佈置有附隨電晶體的面積大於CCD型影像感測器情況下的面積，因而增大光吸收部件的面積在物理上為有限的。此外，通常用作影像感測器的光吸收部件的光電二極體具有相對小的靜電容量，因而容易飽和，難以將光吸收部件產生的訊號分段。
因此，為了產生最小電荷以透過有限的光電檢測面積進行訊號處理，CMOS影像感測器的單元畫素需要相對長的光電荷累積時間。相應地，使用具有這種光吸收部件的單元畫素，不易於製造高密度/高速度圖框影像感測器。
矽半導體的帶隙係為1.12eV，由矽半導體製成的光電探測器能夠檢測350nm至1150nm波長中的光能量。這裏，由於光根據波長具有不同的固有能量並且在光穿透固體矽時具有不相同的穿透深度，光電探測器對於每個波長的光電效率也不同。為了檢測可見光(400-700nm)的波長，影像感測器形成P-N結介面，以便能更好地檢測通常具有550nm波長中的能量的綠色光。因此，在具有這種結構的影像感測器中，對於短波長(例如藍色)以及近紅外線的長波長的光電效率劣化，或者光訊號轉變成雜訊。
與影像感測器以及影像感測器的單元畫素有關的習知技術包
含美國專利5,965,875(COLOR SEPARATION IN AN ACTIVE PIXEL CELL IMAGING ARRAY USING A TRIPLE-WELL STRUCTURE)以及美國專利7,623,165B2(VERTICAL TRI-COLOR SENSOR)。
美國專利5,965,875公開了利用不同波長的光在矽中的吸收長度不同，在有源畫素MOS成像陳列中進行色彩分離。為此，美國專利5,965,875的陣列使用三阱結構以確保每個影像感測器測量相同位置的三基色(RGB)中的每一個。
然而，由於三阱結構的特性，美國專利5,965,875需要相鄰單元畫素之間具有特定的分離距離，這不可避免地增大了單元畫素的尺寸。此外，由於通過三阱結構產生三個P-N結光電二極體，因此不能夠克服光電二極體方法具有的限制，即低靈敏度的問題。此外，由於三阱結構的特性，畫素尺寸自紅色畫素至綠色畫素再至藍色畫素依次變小。因此，入射至彩色陣列感測器的一部份藍色光入射至藍色畫素外部，並且一部分綠色光入射至綠色畫素外部，由此降低了彩色陣列感測器對於藍色光以及綠色光的靈敏度，不能夠完整呈現藍色以及綠色。
美國專利7,623,165涉及具有垂直堆疊的藍色、綠色以及紅色畫素的垂直三色感測器，並且公開了：此種垂直三色感測器透過將藍色、綠色以及紅色分量轉換成表面等離子體，檢測入射光藍色、綠色以及紅色分量。
然而，在美國專利7,623,165中，由於利用表面等離子體現象選擇性地透射特定波長的入射光，導致綠色光與紅色光被多個垂直堆疊的金屬層反射，從而使得彩色陣列感測器對於綠色以及紅色光的靈敏度劣化，不能夠實現實際的綠色以及紅色。此外，由於需要在介電層之間產生具有特定週期及厚度的金屬層之波形以實現表面等離子體現象，因而製造工藝複雜化，並且製造成本增大。此外，為了製造彩色陣列感測器，需要將藍色疊層、綠色疊層以及紅色疊層分離、製造、然後堆疊在一起，因此製造工藝變得複雜，缺陷率上升。
因此，鑒於上述問題，為了解決上述問題，本發明的實施例提供一種高靈敏度/高性能彩色影像感測器的單元畫素及單元畫素的光電探測器，其能夠以較小的光量輸出很大的光電流，實現在低照明水準的環境下的高速度圖框作業，並且在同一螢幕中記錄自低照明水準至高照明水準範圍的視頻。
本發明的一個方面的特點在於一種用於吸收光的光電探測器，光電探測器位於用於將所吸收的光轉變成電訊號的影像感測器的單元畫素中。根據本發明實施例的光電探測器可包含：一光吸收部件，用於透過以浮置結構形成以吸收光線；一氧化物膜，具有與光吸收部件相接觸的一個表面；一源極，與氧化物膜的另一表面的一側相接觸且與光吸收部件分離，其中在源極與光吸收
部件之間具有此氧化物膜；一汲極，面對源極以與氧化物膜的所述另一表面的另一側相接觸且與光吸收部件分離，其中在汲極與光吸收部件之間具有此氧化物膜；以及一溝道，形成於源極與汲極之間且用於在源極與汲極之間形成電流流動。光吸收部件可摻雜有第一類型雜質，源極與汲極可摻雜有第二類型雜質。光吸收部件可透過氧化物膜與源極以及汲極絕緣。光吸收部件可包含：一第一光吸收部件，與氧化物膜相接觸且用於吸收所吸收的光中的紅色光；一第二光吸收部件，形成於第一光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的綠色光；一第三光吸收部件，形成於第二光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的藍色光；一第一絕緣層，形成於第一光吸收部件與第二光吸收部件之間；以及一第二絕緣層，形成於第二光吸收部件與第三光吸收部件之間。透過入射至光吸收部件的光可在光吸收部件中形成電子-電洞對。透過在源極以及汲極的至少之一與光吸收部件之間的氧化物膜可發生隧穿。透過隧穿可將電子-電洞對的電子自光吸收部件釋放至源極以及所述汲極的至少之一。可透過釋放電子引起的光吸收部件的電荷量變化以控制溝道的電流之流動。
第一光吸收部件、第二光吸收部件以及第三光吸收部件可在其上表面上不形成金屬矽化物層。
第一光吸收部件、第二光吸收部件以及第三光吸收部件可以相同的濃度摻雜有相同的雜質。
透過調節W/L比，溝道可形成為處於即將夾斷之前的狀態，其中W/L比係為溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
光電探測器的閥值電壓可由於在氧化物膜中發生的隧穿效應而改變。
光電探測器更可包含一光阻擋層，此光阻擋層形成於除光吸收部件之外的表面上，並且用於阻擋在除光吸收部件之外的區域中透射光。
本發明的另一方面的特點在於提供一種用於將所吸收的光轉變成電訊號的影像感測器的單元畫素。根據本發明實施例的影像感測器的單元畫素可包含：一光電探測器，用於利用由入射光引起的電荷量變化以使得電流流動；以及一選擇器件，用於將由光電探測器產生的電流輸出至單元畫素輸出端子。光電探測器可包含：以浮置結構形成的一光吸收部件，其中透過在光吸收部件中吸收的光產生電子-電洞對；一氧化物膜，具有與光吸收部件相接觸的一個表面；一源極，與氧化物膜的另一表面的一側相接觸且與光吸收部件分離，其中在源極與光吸收部件之間具有此氧化物膜；一汲極，面對源極以與氧化物膜的另一表面的另一側相接觸且與光吸收部件分離，其中在汲極與光吸收部件之間具有此氧化物膜；以及一溝道，形成於源極與汲極之間並用於在源極與汲極之間形成電流流動。光吸收部件可摻雜有第一類型雜質，源極與汲極可摻雜有第二類型雜質。光吸收部件可透過氧化物膜與源極
以及汲極絕緣。透過在源極與汲極的至少之一與光吸收部件之間的氧化物膜可發生隧穿。透過隧穿可將電子-電洞對的電子自光吸收部件釋放至源極以及汲極的至少之一。透過釋放電子引起的光吸收部件的電荷量變化可控制溝道的電流的流動。光電探測器可包含一紅色光電探測器、一綠色光電探測器以及一藍色光電探測器。紅色光電探測器的光吸收部件可包含：一第一光吸收部件，與氧化物膜接觸且用於吸收所吸收的光中的紅色光；一第二光吸收部件，形成於第一光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的綠色光；一第三光吸收部件，形成於第二光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的藍色光；一第一絕緣層，形成於第一光吸收部件與第二光吸收部件之間；以及一第二絕緣層，形成於第二光吸收部件與第三光吸收部件之間。綠色光電探測器的光吸收部件可通過第一連接線與第二光吸收部件相連接。藍色光電探測器的光吸收部件可通過第二連接線與第三光吸收部件相連接。選擇器件可包含：與光電探測器的源極相連接的一汲極；接入至單元畫素輸出端子的一源極；以及用於自外部接收控制訊號的一閘極，其中基於控制訊號執行切換作業。選擇器件可包含：連接至紅色光電探測器的一第一選擇器件；連接至綠色光電探測器的一第二選擇器件；以及連接至藍色光電探測器的一第三選擇器件。
在綠色光電探測器的光吸收部件的上方與藍色光電探測器的光吸收部件的上方可形成有金屬矽化物層。
第一連接線以及第二連接線可由多晶矽或金屬製成。
單元畫素更可包含一光阻擋層，光阻擋層形成在除紅色光電探測器的光吸收部件之外的表面上，並且用於阻擋在除紅色光電探測器的光吸收部件之外的區域中透射光，透過光阻擋層為紅色光電探測器的光吸收部件以及綠色光電探測器的光吸收部件阻擋光。
透過調節W/L比，溝道可形成為處於即將夾斷之前的狀態，其中W/L比係為溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
單元畫素更可包含一微透鏡，此微透鏡用於會聚入射至光電探測器的光線，自此微透鏡到第一光吸收部件的光入射路徑可在第一光吸收部件的下方具有焦點。
可透過形成於微透鏡與第三光吸收部件之間的多層金屬線的佈置以限定此光入射路徑。
本發明可具有各種排列以及實施方式，將參照附圖示出和描述其中的一些具體實施方式。然而，這並不意味著將本發明限於這些具體實施方式，而應當解釋為本發明包含由本發明的思想和範圍涵蓋的所有排列、等效物和替代物。
貫穿本發明的整個說明書，當確定對某一技術的描述會偏離發明點時，將省略相關的具體描述。在描述各種元件時可能會使用例如「第一」和「第二」這樣的術語，但是上述元件不應受到
上述術語的限制。上述術語僅用以將元件彼此區分開。
當一個元件描述為「連接到」或「接入至」另一元件時，應當解釋為可以直接連接到或接入到另一元件，也可以是在它們之間具有其他元件。另一方面，如果一個元件描述為「直接連接至」或「直接接入至」另一元件時，應當解釋為在它們之間不存在其他元件。
下文將參照附圖描述本發明的具體實施例。
「第1圖」係為根據本發明實施例的單元畫素的隧道結光電探測器之立體剖視圖。如「第1圖」所示，使用隧道結而非常規的光電二極體以實現單元畫素的光電探測器。在此，隧道結器件(其中在兩個導體或半導體之間連結有薄絕緣層)係指利用絕緣層中產生的隧穿效應進行作業的器件。作為參考，隧穿效應係為一種量子力學現象，其中粒子在強電場下穿過具有比其固有動態能量更大的勢能之區域。
在本發明的實施例中，可使用該隧道結器件以產生單元畫素的光電探測器，在本發明說明書與專利申請範圍中的「隧道結光電探測器」係指使用隧道結器件實現的光電探測器。可使用各種結構，例如通常的n-MOSFET或p-MOSFET結構，用以實現隧道結光電探測器。此外，除了MOSFET之外，可使用具有能夠提供隧穿效應的結構(例如JFET,HEMT等)的電子器件以實現單元畫素。
下文將描述隧道結光電探測器的結構以及作業原理。
在「第1圖」中，以NMOS結構實現隧道結光電探測器100。隧道結光電探測器100形成於p型基板110上，並且包含在通常的NMOS電子器件中的對應於源極的一N+擴散層120以及對應於汲極的一N+擴散層130。下文中，分別將N+擴散層120以及130稱作隧道結光電探測器中的「源極」以及「汲極」。
形成於源極120與汲極130之間的係作為電介質的一薄的氧化物膜140，形成於氧化物膜140上方的為摻雜有p型雜質的一多晶矽(光吸收部件150)，多晶矽(光吸收部件150)對應於NMOS結構中的閘極。這裏，為了促成隧穿現象，較佳地以10nm或以下(例如2nm、5nm、7nm等)的厚度形成氧化物膜140。
不同於通常的NMOS電子器件中的閘極，多晶矽(光吸收部件150)以浮置結構形成。此外，並不在多晶矽(光吸收部件150)上方形成矽化物層，並且多晶矽(光吸收部件150)用作光吸收區域。如果在多晶矽(光吸收部件150)上形成矽化物層，那麼由於入射光被反射，金屬雜質會導致難以透過光形成電子-電洞對並且光難以透入至多晶矽(光吸收部件150)中。
下文中，將本發明說明書與專利申請範圍中的隧道結光電探測器100的多晶矽(光吸收部件150)之區域稱作「光吸收部件」。
形成於源極120與汲極130上方的係分別與外部節點相連接的金屬接觸部121、131。源極120的金屬接觸部121藉由金屬線
122與外部相連接，類似地，汲極130的金屬接觸部131藉由金屬線132與外部相連接。
不同於通常的NMOS電子器件，以p型基板110浮置的結構形成隧道結光電探測器100。相應地，隧道結光電探測器100在結構上與通常的NMOS電子器件的不同之處在於，僅源極120以及汲極130與外部節點相連接。
此外，可以對稱地形成隧道結光電探測器100。相應地，可以將源極120與汲極130相互替換。
光電探測器100的除光吸收部件150之外的上部具有在其上形成的一光阻擋層180。光阻擋層180阻擋在除光吸收部件150之外的區域中吸收光。這是為了有效地隧穿光吸收部件150的光電荷。此外，這也是為了抑制由於在除光吸收部件150之外的區域中吸收的光而產生的寄生電荷以及為了獲得受控的光電流。光阻擋層180可透過矽化物工藝形成，並且可透過使用遮罩以防止光阻擋層180形成於光吸收部件150上。
微透鏡170形成於光阻擋層180上方，並且將入射至隧道結光電探測器100的光會聚至光吸收部件150。具體地，微透鏡170傳送藉由光學透鏡(圖未示)入射至影像感測器的光線。
微透鏡170會聚入射至單元畫素的前表面的光線，並且將入射光照射至光吸收部件150的上表面151。這裏，光吸收部件150的上表面151可直接暴露於空氣中，或者可在光吸收部件150與
空氣之間形成一保護層，其中光線可容易地穿透該保護層。
透過入射光，在源極120及汲極130與光吸收部件150之間形成電場，並且在源極120與汲極130之間形成一溝道160。
具體而言，入射至光吸收部件150的光在光吸收部件150中產生電子-電洞對。所產生的電子-電洞對的電子如同自由電子一樣，在光吸收部件150內部自由地移動。同時，在源極120、汲極130與光吸收部件150之間的氧化物膜140處發生隧穿。利用隧穿效應，所產生的電子-電洞對的電子自光吸收部件150釋放至源極120或汲極130。由於電子的丟失，在光吸收部件150的電洞中的電荷量相對增大。相應地，由於光吸收部件150的電壓變化而產生的電場的作用，形成溝道160並且在源極120與汲極130之間流動電流。
「第2圖」係為根據本發明實施例以LDD(輕摻雜汲極)結構實現的隧道結光電探測器之剖視圖。透過以LDD結構實現隧道結光電探測器，能夠減少由短溝道效應導致的熱載流子的產生。
在「第2圖」中，隧道結光電探測器100形成於p型基板110上，並且可將受到輕摻雜的LDD區域123、133分別形成為與源極120以及汲極130相鄰(源極120與汲極130均為N+擴散層)。
此外，光吸收部件150可形成於氧化物膜140上方，並且光吸收部件150的長度近似於在源極的LDD區域123與汲極的LDD區域133之間的距離。
當具有比摻雜雜質的耦合能量更高的能量的光照射至光吸收部件150，具有比摻雜電洞的耦合能量更高的能量的光入射至光吸收部件150時，其中光吸收部件150係為摻雜有雜質的多晶矽，則透過摻雜雜質形成的多個電洞在由氧化物膜140限定的邊界內變為自由態，這防止了電荷在平衡狀態下移動。這裏，所產生的電子-電洞對在預定的時間段以電子及電洞的狀態存在，直至它們再次組合為止，從而局部增加了電洞的數量，並因而增大了電荷量。
所分離的電子在多晶矽的晶界外部自由移動。這裏，如果將外部電壓提供給汲極130，則電子被拖曳至汲極的LDD區域133的邊緣附近且在汲極的LDD區域133的邊緣附近累積，由此形成電場。隨著會聚的電子的數量增加，電場變強，並且隨著電場變強，在光吸收部件150的邊緣附近的電子會聚現象更為加速。照射至光吸收部件150的光越強，電子-電洞對形成得越多，電場形成得越強。
隧穿現象大都發生在邊界區域141、142，其中光吸收部件150與LDD區域123、133之間的距離最短。在邊界區域141、142中滿足能量級條件時發生隧穿效應。透過隧穿效應，在光吸收部件150的邊界區域141、142中會聚的電子可移動至源極120或汲極130。這種情況下，光吸收部件150的電荷總量改變。也就是說，電洞電荷量相對增大的數量與透過隧穿效應丟失的電子的數量一
樣多，並且由於電壓變化而導致的電場作用，在源極120和汲極130之間形成溝道160。電流流經所形成的溝道160。
同時，如果光強度變小或者光被阻擋，電荷量將以與上述現象相反的方式返回至其初始狀態。在光被強烈地照射然後阻擋的情況下，由於電子量增加而使得光吸收部件150變得具有弱(+)電荷量，但是透過在汲極的LDD區域133的邊界區域142與源極的LDD區域123的邊界區域141中累積的電子形成電場，其中電勢相對較低。之後，沿著電子流入光吸收部件150的方向，在邊界區域141、142中發生隧穿效應。當透過隧穿效應流入的電子再次與電洞組合時，(+)電荷量變少。這將減弱透過光吸收部件150形成的電場，減小或消除在源極120與汲極130之間的溝道160。相應地，流經溝道160的電流停止流動。
在隧道結光電探測器100的製造工藝中，溝道160設計成處於即將夾斷之前的狀態。透過在源極120與汲極130之間的電壓差產生溝道160。在製造工藝中，透過調節W/L比，即溝道的寬度與長度之比，用以製造溝道160，從而在沒有外部電壓提供給源極120以及汲極130的同時使得溝道160處於即將夾斷之前的狀態。這裏，由於對於元件的每種摻雜濃度與隧道結光電探測器的每種特性而言夾斷發生的條件可不相同，因而對於隧道結光電探測器的每個製造工藝，可透過試驗以設計W/L。
隧穿現象在源極120、汲極130的LDD區域與光吸收部件150
之間的邊界區域141、142中連續地發生。然而，當光強度變大時，隧穿在汲極130一側更為顯著；當光強度變小時，隧穿在源極120一側更為顯著，由此保持平衡狀態。
透過上述結構的光電探測器，能夠使得大於常規光電二極體上百倍至上千倍的光電流流動。常規光電二極體僅透過累積在靜電容量中的電荷量以區分亮度，但是在根據本發明實施例的光電探測器中，由光導致的光吸收部件的電荷量隨著電場作用而變化，由此控制溝道的電流流動。此外，由於可透過汲極無限地提供所需的電荷，訊號可在光電探測器中自放大。因此，能夠實現PPS結構的單元畫素，而無需引入額外的訊號放大器件。當然，也能夠使用常規的APS方法實現單元畫素。但是在本實施例中，為了便於描述和理解，以使用隧道結光電探測器的PPS結構實現單元畫素。
「第3圖」係為根據本發明實施例的彩色隧道結光電探測器200之剖視圖。如「第3圖」所示，以如下結構形成彩色隧道結光電探測器：複數個多晶矽層254、256堆疊於光吸收部件的多晶矽層252上方。這裏，在多晶矽層252、254、256之間形成SiO2絕緣層242、244，以使得多晶矽層252、254、256彼此電絕緣。
下文分別將多晶矽層(第一光吸收部件252、第二光吸收部件254、第三光吸收部件256)稱作第一光吸收部件252、第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256。此外，將第一光吸收部件
252、第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256統稱為光吸收部件250。
由矽製成的光吸收部件的帶隙係為1.12eV，並且能夠檢測350-1150nm波長中的光能量。吸入至光中的能量根據光吸收部件250的穿透深度而不同，因而所檢測的波長的效率根據p-n結表面距矽表面的深度而不同。具有400-490nm波長的藍色光基本上在0.2-0.5微米的深度被吸收至矽中。
具有490-575nm波長的綠色光基本上在0.5-1.5微米的深度被吸收至矽中。具有575-700nm波長的紅色光基本上在1.5-3.0微米的深度被吸收至矽中。相應地，在光吸收部件250的最上部形成的第三光吸收部件256可形成為大約0.2-0.5微米的厚度，以便藍色光能夠被吸收。
形成在第三光吸收部件256下方的第二光吸收部件254可形成為大約0.5-1.5微米的厚度，以便綠色光能夠被吸收。此外，形成在第二光吸收部件254下方的第一光吸收部件252可形成為大約1.5-3.0微米的厚度，以便紅色光能夠被吸收。
第一光吸收部件252、第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256在上方並未形成有金屬矽化物層。第一光吸收部件252、第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256以相同的濃度摻雜有相同的雜質。此外，第一光吸收部件252、第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256可具有充分的寬度來容納由形成在光電
探測器上方的微透鏡產生的光入射路徑。稍後將參照「第6圖」對此進行更詳細的描述。
源極220與汲極230摻雜有高濃度p型雜質並形成在N阱215上，N阱215形成於p型基板210上。第一光吸收部件252吸收來自入射光的紅色光。透過所吸收的紅色光在第一光吸收部件252中產生的電子-電洞對的電子在源極的LDD區域223、汲極的LDD區域233及與它們相鄰的第一光吸收部件252之間的介面中累積。然後，透過在第一光吸收部件252與LDD區域223、233之間發生的隧穿效應，電子釋放至源極220以及汲極230；相應地，第一光吸收部件252中的電洞電荷量相對增加，從而產生電場作用。結果，在源極220與汲極230之間形成溝道，並且電流流動。所產生的電流的量與紅色光入射率水準成比例。
分別在兩個不同的隧道結光電探測器中處理紅色光以及藍色光，這兩個不同的隧道結光電探測器與用於處理紅色光的隧道結光電探測器200相分離。
「第4圖」係為使用三個隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)與三個選擇電晶體320、340、360形成的單元畫素之電路示意圖。
在「第4圖」中，隧道結光電探測器310、330、350可產生由於分別光學推送藍色光、綠色光以及紅色光而導致的電流變
化；三個選擇電晶體320、340、360可分別將電流變化特性傳送至類比訊號處理器，以完成彩色資料。下文分別將三個隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)稱作藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330以及紅色隧道結光電探測器350。
在三個隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)中，僅紅色隧道結光電探測器350為透過光吸收部件吸收光的隧道結光電探測器，而綠色隧道結光電探測器330以及藍色隧道結光電探測器310不吸收光線。
綠色隧道結光電探測器330的光吸收部件(由於該光吸收部件的非光吸收特性，下文稱作「浮置閘極」)與紅色隧道結光電探測器350的第二光吸收部件254相連接，並且在第二光吸收部件254中產生的電子移動至綠色隧道結光電探測器330的浮置閘極。在此之後的處理與紅色隧道結光電探測器350的那些相同。
類似地，藍色隧道結光電探測器310的光吸收部件(下文稱作「浮置閘極」)與紅色隧道結光電探測器350的第三光吸收部件256相連接，並且在第三光吸收部件256中產生的電子移動至浮置閘極。在此之後的處理與紅色隧道結光電探測器350的那些相同。
三個選擇電晶體320、340、360分別與藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330以及紅色隧道結光電探測器
350串聯相連接。選擇電晶體可由各種元件(例如常規MOSFET結構)形成。這種情況下，可使用通常的MOSFET製造工藝同時實現隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)以及選擇電晶體320、340、360，從而簡化了製造工藝並節約了成本。
可利用NMOS以構建選擇電晶體320、340、360。選擇電晶體320、340、360的汲極分別連接至隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)的源極，在隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)中產生的電流分別通過選擇電晶體320、340、360轉移至單元畫素輸出端子(「output_blue」、「output_green」以及「output_red」)。
用於對選擇電晶體320、340、360進行開關控制的控制訊號(「Sx」)透過其各自的閘極提供。
「第5圖」係為根據本發明實施例的使用彩色隧道結光電探測器的單元畫素之剖視圖。如「第5圖」所示，均具有浮置結構的三個隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)形成於同一N阱415上，N阱415形成於p型基板410上。
利用吸收紅色光的第一光吸收部件252、吸收綠色光的第二光
吸收部件254以及吸收藍色光的第三光吸收部件256的多層結構以構建紅色隧道結光電探測器350的光吸收部件250。
第二光吸收部件254與鄰近形成的綠色隧道結光電探測器330的浮置閘極相連接。第二光吸收部件254與綠色隧道結光電探測器330的浮置閘極可以相同的濃度摻雜相同的雜質。此外，在第二光吸收部件254與綠色隧道結光電探測器330的浮置閘極之間的連接線465可由多晶矽或金屬形成。
類似地，第三光吸收部件256與藍色隧道結光電探測器310的浮置閘極相連接。第三光吸收部件256與藍色隧道結光電探測器310的浮置閘極可以相同的濃度摻雜相同的雜質。此外，在第三光吸收部件256與藍色隧道結光電探測器310的浮置閘極之間的連接線445可由多晶矽或金屬形成。
綠色隧道結光電探測器330與藍色隧道結光電探測器310的浮置閘極均可在其上部形成有金屬矽化物層。所形成的矽化物層能夠阻擋光吸收至綠色隧道結光電探測器330與藍色隧道結光電探測器310的浮置閘極。由此，根據本發明實施例的單元畫素能夠測量僅透過第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256吸收的綠色光以及藍色光所產生的電流的變化。
由於選擇電晶體320、340、360形成於p型基板410上，隧道結光電探測器(藍色隧道結光電探測器310、綠色隧道結光電探測器330、紅色隧道結光電探測器350)在N阱415上分離，所以
在隧道結光電探測器中產生的電流能夠更有效地傳送至單元畫素輸出端子。
「第6圖」係為根據本發明實施例的彩色隧道結光電探測器的光入射角之剖視圖。
在「第6圖」中，透過微透鏡270會聚的光沿著光入射路徑(光入射路徑通過多層陰影280而具有預定斜率)依次入射至第三光吸收部件256、第二光吸收部件254以及第一光吸收部件252。
這種情況下，光自微透鏡270到達第一光吸收部件252的光入射路徑以如下方式會聚：光能夠在第一光吸收部件252下方的區域具有焦點。也就是說，光入射至的區域自第一光吸收部件252到第三光吸收部件256變寬。因此，第三光吸收部件256的面積可以最寬；第二光吸收部件254的面積可以介於第三光吸收部件256的面積與第一光吸收部件252的面積之間，其設計為W/L。
在陰影280中，可沿著入射路徑佈置用於訊號傳送與器件控制的多條金屬線。形成於多層陰影280之間的是鈍化層290，可利用對入射光幾乎不反射的材料以形成鈍化層290。
在隧道結光電探測器不具有微透鏡的情況下，可將入射光校準至某一焦點，這種情況下，可將第一光吸收部件252、第二光吸收部件254以及第三光吸收部件256形成為具有相同的面積。
透過上述結構的彩色隧道結光電探測器，能夠使得比常規光電二極體大得多的光電流流動。常規光電二極體僅透過累積在靜
電容量中的電荷量以區分亮度，但是在上述結構的彩色隧道結光電探測器中，由光導致的光吸收部件的電荷量隨著電場作用而變化，由此控制溝道的電流流動。此外，由於可透過汲極無限地提供所需的電荷，訊號可在光電探測器中自放大。因此，能夠在無需引入額外的訊號放大器件的條件下實現影像感測器的單元畫素，如同在PPS結構中一樣。當然，除了PPS方法，也能夠使用常規的APS方法實現單元畫素。
至此，已經透過本發明得實施例描述了具有本發明技術特徵的影像感測器的單元畫素以及構成單元畫素的光電探測器。
在本發明之實施例中描述的單元畫素可以按照常規的VGA、HD和全高清方法佈置成二維陣列，例如640＊
480、1280＊
720和1920＊
1080，以構成一圖框。
透過上述結構，本發明的單元畫素相比較於常規光電二極體可以允許相對更大的光電流量。這是因為：與僅透過累積在靜電容量中的電荷量以區分對比度的常規光電二極體不同，本發明由於浮置閘極的電荷量變化帶來的電場作用，控制源極-閘極溝道的電流流動；並且同時，由於透過汲極無限地提供電荷，本發明具有自放大的構造。
此外，透過上述結構，能夠實現高靈敏度/高速度影像感測器。
此外，對於單元畫素，可以實現PPS方法。這種情況下，由於與畫素內部的光電探測器的輸出電流相比幾乎沒有或者不存在寄生
電容，在由行解碼器選擇畫素之前不可能有任何的積累動作。這是與常規APS方法的CIS單元畫素的一個主要區別。因此，透過以修改的捲簾快門方式對訊號進行多重處理，能夠開發高速幀影像感測器。
由於單元畫素具有非常簡單的結構並且不大，因此通過如同全局快門方式那樣在單元畫素內部形成電容器、在類比記憶體中同時存儲資料並且高速讀取資料，能夠實現500-10,000fps的影像。
提供上述描述僅用於示例的用途，應當意識到，在不脫離本發明的技術思想和實質特點的情況下，本發明所屬領域的任何普通技術人員可以容易地修改本發明。如本文所使用的，術語「方面」可以與術語「實施方式」互換使用。
因此，應當意識到，上述實施例係為示例性的，而非限制性的。例如，描述為組合的任何元件也可單獨地實施；類似地，描述為單獨的任何元件也可以組合地實施。
本發明的範圍不應當由上述描述限定，而應由所附之專利申請範圍限定。應當理解，能夠自專利申請範圍的含義、範圍和等效物得到的所有可能的排列或修改都涵蓋在本發明的範圍之內。
100‧‧‧隧道結光電探測器
110‧‧‧p型基板
120‧‧‧源極
121、131‧‧‧金屬接觸部
122、132‧‧‧金屬線
123‧‧‧LDD區域
130‧‧‧汲極
133‧‧‧LDD區域
140‧‧‧氧化物膜
141、142‧‧‧邊界區域
150‧‧‧光吸收部件
151‧‧‧上表面
160‧‧‧溝道
170‧‧‧微透鏡
180‧‧‧光阻擋層
200‧‧‧隧道結光電探測器
210‧‧‧p型基板
215‧‧‧N阱
220‧‧‧源極
223‧‧‧LDD區域
230‧‧‧汲極
233‧‧‧LDD區域
242、244‧‧‧SiO2
絕緣層
252‧‧‧第一光吸收部件
254‧‧‧第二光吸收部件
256‧‧‧第三光吸收部件
270‧‧‧微透鏡
280‧‧‧陰影
290‧‧‧鈍化層
310‧‧‧藍色隧道結光電探測器
320、340、360‧‧‧選擇電晶體
330‧‧‧綠色隧道結光電探測器
350‧‧‧紅色隧道結光電探測器
415‧‧‧N阱
445‧‧‧連接線
465‧‧‧連接線
VDD‧‧‧電源電壓
output_blue‧‧‧單元畫素輸出端子
output_green‧‧‧單元畫素輸出端子
output_red‧‧‧單元畫素輸出端子
第1圖係為根據本發明實施例的單元畫素的隧道結光電探測器之立體剖視圖；第2圖係為根據本發明實施例的單元畫素的隧道結光電探測
器之剖視圖；第3圖係為根據本發明實施例的彩色隧道結光電探測器之剖視圖；第4圖係為根據本發明實施例的使用彩色隧道結光電探測器的單元畫素之電路示意圖；第5圖係為根據本發明實施例的使用彩色隧道結光電探測器的單元畫素之剖視圖；以及第6圖係為根據本發明實施例的彩色隧道結光電探測器的光入射角之剖視圖。
100‧‧‧隧道結光電探測器
110‧‧‧p型基板
120‧‧‧源極
121‧‧‧金屬接觸部
122‧‧‧金屬線
130‧‧‧汲極
131‧‧‧金屬接觸部
132‧‧‧金屬線
140‧‧‧氧化物膜
150‧‧‧光吸收部件
151‧‧‧上表面
160‧‧‧溝道
170‧‧‧微透鏡
180‧‧‧光阻擋層
Claims (13)
- 一種用於吸收光的光電探測器，該光電探測器位於用於將所吸收的光轉變成電訊號的影像感測器的單元畫素中，該光電探測器包含：一光吸收部件，該光吸收部件透過以浮置結構形成，用以吸收光；一氧化物膜，具有與該光吸收部件相接觸的一個表面；一源極，與該氧化物膜的另一表面的一側相接觸且與該光吸收部件分離，其中在該源極與該光吸收部件之間具有該氧化物膜；一汲極，面對該源極以與該氧化物膜的該另一表面的另一側相接觸且與該光吸收部件分離，其中在該汲極與該光吸收部件之間具有該氧化物膜；以及一溝道，形成於該源極與該汲極之間，並且用於在該源極與該汲極之間形成電流流動，其中該光吸收部件摻雜有第一類型雜質，該源極以及該汲極摻雜有第二類型雜質，其中該光吸收部件透過該氧化物膜而與該源極及該汲極絕緣，其中該光吸收部件包含：一第一光吸收部件，與該氧化物膜相接觸且用於吸收所吸 收的光中的紅色光；一第二光吸收部件，形成於該第一光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的綠色光；一第三光吸收部件，形成於該第二光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的藍色光；一第一絕緣層，形成於該第一光吸收部件與該第二光吸收部件之間；以及一第二絕緣層，形成於第二光吸收部件與該第三光吸收部件之間，其中透過入射至該光吸收部件的光而在該光吸收部件中形成電子-電洞對，透過在該源極與該汲極的至少之一與該光吸收部件之間的氧化物膜而發生隧穿，透過該隧穿而將該電子-電洞對的電子自該光吸收部件釋放至該源極以及該汲極的至少之一，並且透過釋放電子引起的該光吸收部件的電荷量變化以控制該溝道的電流之流動，其中該光吸收部件由多晶矽製成。
- 如請求項第1項所述之用於吸收光的光電探測器，其中該第一光吸收部件、該第二光吸收部件以及該第三光吸收部件在其上表面上不形成金屬矽化物層。
- 如請求項第1項所述之用於吸收光的光電探測器，其中該第一光吸收部件、該第二光吸收部件以及該第三光吸收部件以相同的濃度摻雜有相同的雜質。
- 如請求項第1項所述之用於吸收光的光電探測器，其中透過調節W/L比，該溝道形成為處於即將夾斷之前的狀態，其中W/L比為該溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
- 如請求項第1項所述之用於吸收光的光電探測器，其中該光電探測器的閥值電壓由於在該氧化物膜中發生的隧穿效應而改變。
- 如請求項第1項所述之用於吸收光的光電探測器，其中該更包含一光阻擋層，該光阻擋層形成在除該光吸收部件之外的表面上，並且用於阻擋在除該光吸收部件之外的區域中透射光。
- 一種單元畫素，用於將所吸收的光轉變成電訊號的影像感測器，係包含：一光電探測器，用於利用由入射光引起的電荷量變化以使電流流動；以及一選擇器件，用於將由該光電探測器產生的電流輸出至單元畫素輸出端子，其中該光電探測器包含：一光吸收部件，係以浮置結構形成，其中透過在該光吸收部件中吸收的光產生電子-電洞對；一氧化物膜，具有與該光吸收部件相接觸的一個表面；一源極，係與該氧化物膜的另一表面的一側相接觸且與該光吸收部件分離，其中在該源極與該光吸收部件之間具有該氧 化物膜；一汲極，面對該源極以與該氧化物膜的該另一表面的另一側相接觸並與該光吸收部件分離，其中在該汲極與該光吸收部件之間具有該氧化物膜；以及一溝道，形成於該源極與該汲極之間且用於在該源極與該汲極之間形成電流流動，其中該光吸收部件摻雜有第一類型雜質，該源極與該汲極摻雜有第二類型雜質，其中該光吸收部件透過該氧化物膜而與該源極以及該汲極絕緣，其中透過在該源極以及該汲極的至少之一與該光吸收部件之間的氧化物膜而發生隧穿，透過該隧穿而將電子-電洞對的電子自該光吸收部件釋放至該源極以及該汲極的至少之一，並且透過釋放電子引起的該光吸收部件的電荷量變化以控制該溝道的電流之流動，其中該光電探測器包含一紅色光電探測器、一綠色光電探測器以及一藍色光電探測器，其中該紅色光電探測器的光吸收部件包含：一第一光吸收部件，與該氧化物膜相接觸且用於吸收所吸收的光中的紅色光；一第二光吸收部件，形成於該第一光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的綠色光；一第三光吸收部件，形成於該第 二光吸收部件上方且用於吸收所吸收的光中的藍色光；一第一絕緣層，形成於該第一光吸收部件與該第二光吸收部件之間；以及一第二絕緣層，形成於該第二光吸收部件與該第三光吸收部件之間，其中該綠色光電探測器的光吸收部件透過第一連接線與該第二光吸收部件相連接，其中該藍色光電探測器的光吸收部件透過第二連接線與該第三光吸收部件相連接，其中該選擇器件包含：與該光電探測器的源極相連接的一汲極；接入至該單元畫素輸出端子的一源極；以及用於自外部接收控制訊號的一閘極，其中基於該控制訊號執行切換作業，以及其中該選擇器件包含：連接至該紅色光電探測器的一第一選擇器件；連接至該綠色光電探測器的一第二選擇器件；以及連接至該藍色光電探測器的一第三選擇器件。
- 如請求項第7項所述之單元畫素，其中在該綠色光電探測器的光吸收部件的上方與該藍色光電探測器的光吸收部件的上方形成有一金屬矽化物層。
- 如請求項第7項所述之單元畫素，其中該第一連接線與該第二連接線係由多晶矽或金屬製成。
- 如請求項第7項所述之單元畫素，更包含一光阻擋層，該光阻 擋層形成於除該紅色光電探測器的光吸收部件之外的表面上，並且用於阻擋在除該紅色光電探測器的光吸收部件之外的區域中透射光，其中透過該光阻擋層為該紅色光電探測器的光吸收部件與該綠色光電探測器的光吸收部件阻擋光。
- 如請求項第7項所述之單元畫素，其中透過調節W/L比，該溝道形成為處於即將夾斷之前的狀態，其中W/L比為該溝道的寬度(W)與長度(L)之比。
- 如請求項第7項所述之單元畫素，更包含一微透鏡，該微透鏡用於會聚入射至該光電探測器的光，其中自該微透鏡到該第一光吸收部件的光入射路徑在該第一光吸收部件的下方具有焦點。
- 如請求項第12項所述之單元畫素，其中透過形成於該微透鏡與該第三光吸收部件之間的多層金屬線的佈置以限定該光入射路徑。
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