TWI831452B - 吸收波長可調之感光元件、圖像採集裝置以及資訊處理裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明主要揭示一種吸收波長可調之感光元件，包括：一矽基底、一P+型摻雜區、一第一N型摻雜區、一P型摻雜區、一第二N型摻雜區、以及一電極層。依據本發明之設計，在施加一第一電壓至該電極層的情況下，所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。另一方面，在施加大於該第一電壓的一第二電壓至該電極層的情況下，所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。如此設計，便可以透過對該第二光電流和該第一光電流執行一減法運算以獲得對應紅外光的一第三光電流。
Description
本發明為光電二極體(Photodiode, PD)的相關技術領域，尤指藉由在一光電二極體內增加一個P摻雜區域所獲得的一種吸收波長可調之感光元件。
已知，習知的攝像裝置、圖像採集裝置皆含有一圖像採集電路。圖1即顯示習知的一種圖像採集電路的方塊圖。如圖1所示，習知的圖像採集電路1a主要包括：一圖像感測陣列11a、一讀出電路12a以及一控制單元13a，其中該圖像感測陣列包含複數個畫素單元111a。目前，所述畫素單元111a分為被動式畫素感測器(passive pixel sensor, PPS)單元和主動式畫素感測器(active pixel sensor, APS)單元。
圖2為圖1所示之畫素單元的電路拓樸圖。如圖2所示，若以一主動式畫素感測器作為所述畫素單元111a，則該畫素單元111a包括：一光感測器11Da、一第一開關元件1S1a、一第二開關元件1S2a、以及一第三開關元件1S3a，其中該光感測器11Da例如為一光電二極體(Photodiode, PD)。值得注意的是，圖2同時繪出該光電二極體(即，光感測器11Da)的側剖視圖，因此可以得知該光感測器11Da包括：一P型矽基底D10a、形成在該P型矽基底D10a之中的一第一N型摻雜區D11a、形成在該N型摻雜區D11a之中的一P+型摻雜區D12a、形成在該P型矽基底D10a之中的一第二N型摻雜區D13a、以及形成在該P型矽基底D10a之上的一傳輸電極D14a。進一步地，如圖1與圖2所示，該第二N型摻雜區D13a耦接該第一開關元件1S1a的源極端，且該傳輸電極D14a(即，Tx electrode)耦接該讀出電路12a。
應知道，應用在安防監控的攝像裝置需要在白天及夜晚都能對其覆蓋區域實施有效監控。因此，安防監控的攝像裝置通常帶有紅外光源。在晚上執行安防監控時，該攝像裝置啟用紅外光源，使其圖像採集模組1a通過採集紅外光(Infrared light)的方式實現圖像採集。
因此，當應用在安防監控的攝像裝置之中時，該圖像感測陣列11a之上會進一步設置一個濾光單元。圖3A和圖3B分別顯示濾光片陣列的第一、第二示圖。如圖3A所示，所述濾光單元14a可以是一拜爾濾色鏡(Bayer filter)。另一方面，如圖3B所示，所述濾光單元14a亦可為一RGB-Ir濾色鏡(RGB-Ir filter)。
如圖3A、圖2與圖1所示，依據實務經驗，位於拜爾濾色鏡的紅色濾光區下方的光感測器11Da會同時感測紅光與紅外光，進而產生對應的光電流。然而，後方的讀出電路12a在接收光電流之後，並無法自光電流之中進一步地分離出對應紅光的第一光電流以及對應紅光的第二光電流。相反地，如圖3B、圖2與圖1所示，位於RGB-Ir濾色鏡的紅色濾光區下方的光感測器11Da會感測紅光，進而產生對應紅光的第一光電流。並且，位於RGB-Ir濾色鏡的紅外濾光區下方的光感測器11Da會感測紅外光，進而產生對應紅外光的第二光電流。可惜的是，相較於採用RGB-Ir濾色鏡，採用的拜爾濾色鏡的圖像採集模組1a係具有較高的分辨率。綜上所述，習知的採用拜爾濾色鏡的圖像採集電路1a以及採用RGB-Ir濾色鏡的圖像採集電路1a皆具有需要加以改善之處。
由上述說明可知，本領域亟需一種吸收波長可調之感光元件。
本發明之主要目的在於提供一種吸收波長可調之感光元件。據本發明之設計，在施加一第一電壓的情況下，所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。另一方面，在施加大於該第一電壓的一第二電壓的情況下，所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。如此設計，便可以透過對該第二光電流和該第一光電流執行一減法運算以獲得對應紅外光的一第三光電流。
因此，本發明之吸收波長可調之感光元件用以組成一圖像感測陣列，且該圖像感測陣列可進一步地與一讀出電路及一控制單元一同組成一圖像採集裝置。並且，在搭配使用拜爾濾色鏡(Bayer filter)的情況下，該圖像採集裝置可以通過採集紅外光(Infrared light)的方式在夜晚進行高分辨率的圖像採集。
為達成上述目的，本發明提出所述吸收波長可調之感光元件的一實施例，其包括：
一矽基底；
一P+型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有一第一深度；
一第一N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第一深度的一第二深度；
一P型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第二深度的一第三深度；
一第二N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有介於該第一深度與該第二深度之間的一第四深度；以及
一電極層，形成在該矽基底之上，且相對地位於該第一N型摻雜區與該第二N型摻雜區之間；
其中，該P+型摻雜區與該第一N型摻雜區之間具有一第一接面，且該第一N型摻雜區與該P型摻雜區之間具有一第二接面。
在一實施例中，通過施加一第一電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。
在一實施例中，通過施加大於該第一電壓的一第二電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。
在可行的實施例中，該矽基底為一P型矽基底或為一含有P型井的N型矽基底。
並且，本發明同時提出一種圖像採集裝置的一實施例，其包括一圖像感測陣列、一讀出電路以及一控制單元，其中該圖像感測陣列包含複數個畫素單元，且所述畫素單元包括一畫素電路與一光感測器；其特徵在於，該光感測器包括：
一矽基底；
一P+型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有一第一深度；
一第一N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第一深度的一第二深度；
一P型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第二深度的一第三深度；
一第二N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有介於該第一深度與該第二深度之間的一第四深度；以及
一電極層，形成在該矽基底之上，且相對地位於該第一N型摻雜區與該第二N型摻雜區之間；
其中，該P+型摻雜區與該第一N型摻雜區之間具有一第一接面，且該第一N型摻雜區與該P型摻雜區之間具有一第二接面。
在一實施例中，通過施加一第一電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。
在一實施例中，通過施加大於該第一電壓的一第二電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。
在可行的實施例中，所述畫素單元選自於由被動式畫素感測器單元和主動式畫素感測器單元所組成群組之中的任一者。
進一步地，本發明還提出一種資訊處理裝置，其特徵在於，含有少一如前所述本發明之圖像採集裝置。
在可行的實施例中，該資訊處理裝置為選自於由攝像裝置、臉部識別裝置、指紋識別裝置、掌紋識別裝置、和虹膜識別裝置所組成群組之中的一種電子裝置。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
請參閱圖4，其為本發明之一種圖像採集裝置的方塊圖。如圖4所示，本發明之圖像採集裝置1包括：一圖像感測陣列11、一讀出電路12以及一控制單元13，其中該圖像感測陣列11包含複數個畫素單元111。進一步地，圖5為圖4所示之畫素單元的電路拓樸圖。如圖5所示，所述畫素單元111包括一畫素電路11P與一光感測器11D。在可行的實施例中，所述畫素單元111可為一被動式畫素感測器(passive pixel sensor, PPS)單元或一主動式畫素感測器(active pixel sensor, APS)單元。舉例而言，圖5繪示該畫素單元111為一APS單元，因此該畫素電路11P包括：一第一開關元件1S1、一第二開關元件1S2以及一第三開關元件1S3。
依據本發明之設計，該光感測器11Da為一光電二極體(Photodiode, PD)。值得注意的是，圖5同時繪出該光電二極體(即，光感測器11Da)的側剖視圖，因此可以得知該光感測器11D包括：一矽基底D10、一P+型摻雜區D11、一第一N型摻雜區D12、一P型摻雜區D13、一第二N型摻雜區D14、以及一電極層D15。實務上，該矽基底D10可為一P型矽基底或為一含有P型井的N型矽基底。並且，可以利用離子佈植(ion implementation)或熱擴散(Thermal diffusion)使該P+型摻雜區D11形成在該矽基底D10之內，且具有一第一深度。另一方面，利用離子佈植可使該第一N型摻雜區D12形成在該矽基底D10之內，且具有大於該第一深度的一第二深度。
更詳細地說明，利用離子佈植可使該P型摻雜區D13形成在該矽基底D10之內，且具有大於該第二深度的一第三深度。再者，利用離子佈植或熱擴散可使第二N型摻雜區D14形成在該矽基底D10之內，且具有介於該第一深度與該第二深度之間的一第四深度。舉例而言，可以操作離子佈植機，使其以一第一植入能量將砷(As)離子佈植在該矽基底D10之內，從而在該矽基底D10之內形成具有所述第二深度的該第一N型摻雜區D12。並且，操作離子佈植機，使其以大於該第一植入能量的一第二植入能量將硼(B)離子佈植在該矽基底D10之內，從而在該矽基底D10之內形成具有所述第三深度的該P型摻雜區D13。並且，操作離子佈植機，
如圖5所示，該P+型摻雜區D11與該第一N型摻雜區D12之間具有一第一接面，且該第一N型摻雜區D12與該P型摻雜區D13之間具有一第二接面。另一方面，該電極層D15，形成在該矽基底D10之上，且相對地位於該第一N型摻雜區D12與該第二N型摻雜區D14之間。補充說明的是，該第二N型摻雜區D14係作為一浮動擴散層(floating diffusion layer)。依此設計，該P+型摻雜區D11、該第一N型摻雜區D12和該P型摻雜區D13成為所述感光元件11D的一光吸收結構。
請參閱圖6A、圖6B與圖6C，其分別為本發明之感光元件的初始狀態、第一驅動狀態和第二驅動狀態的TCAD模擬圖。另一方面，圖7為對應圖6A、圖6B與圖6C的本發明之感光元件的光吸收結構的縱向電位分布圖。熟悉半導體元件之設計與製造的元件工程師必然知道，TCAD為一種半導體製程模擬軟體(Technology Computer-Aided Design, TCAD)。如圖6A、圖6B與圖7所示，通過施加一第一電壓V1(2～4V)至該電極層D15的方式，係可驅動所述感光元件11D感測可見光以產生一第一光電流。值得注意的是，所述光吸收結構的該第一N型摻雜區D12之中的部分電子通過該電極層D15流動至該讀出電路12，使得該第一N型摻雜區D12的區域電位升高。此時，此高區域電位使得該第一N型摻雜區D12與該P+型摻雜區D11之間形成反偏，從而在所述第一接面的兩側形成第一空乏區(depletion region)。同時，此高區域電位亦使得該第一N型摻雜區D12與該P型摻雜區D13之間形成反偏，從而在所述第二接面的兩側形成第二空乏區。在此情況下，該感光元件11D利用所述第一空乏區和所述第二空乏區感測可見光以產生一第一光電流。補充說明的是，空乏區亦稱為空間電荷區(space-charge region)。
如圖6A、圖6C與圖7所示，通過施加大於該第一電壓V1的一第二電壓V2(4～7V)至該電極層D15的方式，係可驅動所述感光元件11D同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。值得注意的是，當施加的電壓自第一電壓V1上升至第二電壓V2之時，該第一N型摻雜區D12的區域電位也跟著升高，使得形成在所述第二接面兩側的第二空乏區往該P型摻雜區D13擴大。最終，擴大的第二空乏區使得所述光吸收結構能夠同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。
易於理解的，在透過該讀出電路12自各所述光感測器11D讀出第一光電流與第二光電流之後，該控制單元13可以透過對該第二光電流和該第一光電流執行一減法運算以獲得對應紅外光的一第三光電流。如此設置，在搭配使用拜爾濾色鏡(Bayer filter)的情況下，本發明之圖像採集裝置1可以通過採集紅外光(Infrared light)的方式在夜晚進行高分辨率的圖像採集。
如此，上述已完整且清楚地說明本發明之吸收波長可調之感光元件；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：
(1)本發明揭示一種吸收波長可調之感光元件。據本發明之設計，在施加一第一電壓的情況下，所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。另一方面，在施加大於該第一電壓的一第二電壓至該電極層的情況下，所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。如此設計，便可以透過對該第二光電流和該第一光電流執行一減法運算以獲得對應紅外光的一第三光電流。
(2)因此，本發明之吸收波長可調之感光元件用以組成一圖像感測陣列，且該圖像感測陣列可進一步地與一讀出電路及一控制單元一同組成一圖像採集裝置。並且，在搭配使用拜爾濾色鏡(Bayer filter)的情況下，該圖像採集裝置可以通過採集紅外光(Infrared light)的方式在夜晚進行高分辨率的圖像採集。
(3)本發明同時提供一種資訊處理裝置，其特徵在於，含有少一如前所述本發明之圖像採集裝置。在可行的實施例中，該資訊處理裝置為選自於由攝像裝置、臉部識別裝置、指紋識別裝置、掌紋識別裝置、和虹膜識別裝置所組成群組之中的一種電子裝置。
必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。
1a:圖像採集電路
11a:圖像感測陣列
111a:畫素單元
11Da:光感測器
1S1a:第一開關元件
1S2a:第二開關元件
1S3a:第三開關元件
12a:讀出電路
13a:控制單元
D10a:P型矽基底
D11a:第一N型摻雜區
D12a:P+型摻雜區
D13a:第二N摻雜區
D14a:傳輸電極
1:圖像採集裝置
11:圖像感測陣列
111:畫素單元
12:讀出電路
13:控制單元
11P:畫素電路
11S1:第一開關元件
11S2:第二開關元件
11S3:第三開關元件
11D:光感測器
D10:矽基底
D11:P+型摻雜區
D12:第一N型摻雜區
D13:P型摻雜區
D14:第二N型摻雜區
D15:電極層
圖1為習知的一種圖像採集電路的方塊圖；圖2為圖1所示之畫素單元的電路拓樸圖；圖3A為濾光片陣列的第一示圖；圖3B為濾光片陣列的第二示圖；圖4為本發明之一種圖像採集裝置的方塊圖；圖5為圖4所示之畫素單元的電路拓樸圖；圖6A為本發明之感光元件的初始狀態的TCAD模擬圖；圖6B為本發明之感光元件的第一驅動狀態的TCAD模擬圖；圖6C為本發明之感光元件的第二驅動狀態的TCAD模擬圖；以及圖7為對應圖6A、圖6B與圖6C的本發明之感光元件的光吸收結構的縱向電位分布圖。
111:畫素單元
11P:畫素電路
11S1:第一開關元件
11S2:第二開關元件
11S3:第三開關元件
11D:光感測器
D10:矽基底
D11:P+型摻雜區
D12:第一N型摻雜區
D13:P型摻雜區
D14:第二N型摻雜區
D15:電極層
Claims (10)
- 一種感光元件，包括：一矽基底；一P+型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有一第一深度；一第一N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第一深度的一第二深度；一P型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第二深度的一第三深度；一第二N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有介於該第一深度與該第二深度之間的一第四深度；以及一電極層，形成在該矽基底之上，且相對地位於該第一N型摻雜區與該第二N型摻雜區之間；其中，該P+型摻雜區與該第一N型摻雜區之間具有一第一接面，且該第一N型摻雜區與該P型摻雜區之間具有一第二接面。
- 如請求項1所述之感光元件，其中，通過施加一第一電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。
- 如請求項1所述之感光元件，其中，通過施加大於該第一電壓的一第二電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。
- 如請求項1所述之感光元件，其中，該矽基底為一P型矽基底或為一含有P型井的N型矽基底。
- 一種圖像採集裝置，包括一圖像感測陣列、一讀出電路以及一控制單元，其中該圖像感測陣列包含複數個畫素單元，且所述畫素單元包括一畫素電路與一光感測器；其特徵在於，該光感測器包括：一矽基底；一P+型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有一第一深度；一第一N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第一深度的一第二深度；一P型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有大於該第二深度的一第三深度；一第二N型摻雜區，形成在該矽基底之內，且具有介於該第一深度與該第二深度之間的一第四深度；以及一電極層，形成在該矽基底之上，且相對地位於該第一N型摻雜區與該第二N型摻雜區之間；其中，該P+型摻雜區與該第一N型摻雜區之間具有一第一接面，且該第一N型摻雜區與該P型摻雜區之間具有一第二接面。
- 如請求項5所述之圖像採集裝置，其中，通過施加一第一電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件感測可見光以產生一第一光電流。
- 如請求項5所述之圖像採集裝置，其中，通過施加大於該第一電壓的一第二電壓至該電極層的方式，驅動所述感光元件同時感測可見光和紅外光以產生包含所述第一光電流的一第二光電流。
- 如請求項5所述之圖像採集裝置，其中，所述畫素單元選自於由被動式畫素感測器單元和主動式畫素感測器單元所組成群組之中的任一者。
- 一種資訊處理裝置，其特徵在於，含有至少一如請求項5至請求項9中任一項所述之圖像採集裝置。
- 如請求項9所述之資訊處理裝置，其中，該資訊處理裝置為選自於由攝像裝置、臉部識別裝置、指紋識別裝置、掌紋識別裝置、和虹膜識別裝置所組成群組之中的一種電子裝置。
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| TW111141637A TWI831452B (zh) | 2022-11-01 | 2022-11-01 | 吸收波長可調之感光元件、圖像採集裝置以及資訊處理裝置 |
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Family Applications (1)
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2022
- 2022-11-01 TW TW111141637A patent/TWI831452B/zh active
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