滤色器和光电二极管图案化配置的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请 本申请要求2014年4月22日提交的美国临时申请号61/982, 562的权益，并通过引用 将其合并于此。
技术领域
[0002] 本发明涉及图像传感器，并更具体地涉及滤色器和光电二极管的配置。
【背景技术】
[0003] 近些年中数字图像传感器已经被普及。这样的传感器用于数字摄像机、移动设备、 内窥镜等中。常规的数字图像传感器具有像素结构的阵列，其中每个像素包含微透镜、滤色 器和诸如光电二极管之类的光电检测器。光电检测器响应于接收的光而生成输出电信号， 其中输出信号被馈送到读出电路。前述部件的结构和制造过程全部是本领域众所周知的。
[0004] 关于滤色器，以特定和重复的图案在光电检测器之上应用亮度和色度敏感元件 (即，滤色器）的阵列也是本领域已知的。参见例如美国专利3, 971，065,通过引用将其合并 于此。最通常使用的滤色器图案之一被称为滤色器的Bayer图案1，其在图1中示出并包括 红色过滤器（R) 2、绿色过滤器（G) 3和蓝色过滤器（B) 4的阵列。虽然仅示出一些行和列， 但该图案可以包括数百万这样的过滤器。滤色器图案具有交替的蓝色和绿色过滤器4/3的 奇数行图案和交替的绿色和红色过滤器3/2的偶数行图案，以及交替的蓝色和绿色过滤器 4/3的奇数列图案和交替的绿色和红色过滤器3/2的偶数列图案。因此，总体图案包含50% 绿色过滤器3、25%红色过滤器2和25%蓝色过滤器4。通常，每个过滤器2/3/4被置于单 个光电检测器之上，以使得每个光电检测器在图像传感器的该位置处检测仅仅单个颜色的 光。
[0005] 图像传感器小型化和像素微粉化（micronization)的趋势已经不利地影响了像素 的光子效率，这对于像素阵列边缘上的像素来说尤其成立。降低像素大小引起针对各个像 素的量子效率、颜色信噪比（S/N比)和亮度S/N比方面的相当的衰退。然而，该小型化趋势 也已经给予图像传感器足够的分辨率以适应高级滤色器图案、新的过滤器颜色、新的阴影 以及甚至更好的透明（白色）滤色器。
[0006] 已经实现的是可以通过使用绿色过滤器或白色过滤器(其包括绿色一一白色过滤 器是透明的（即，使大多数颜色的光的大部分或全部通过）或者是过滤器阵列中的间隙或孔 隙)来改进亮度S/N比。该亮度改进技术已经在传统的Bayer过滤器中可见，该传统的Bayer 过滤器利用50%绿色滤色器。
[0007] 颜色S/N比已经很大程度上被赞成亮度S/N比的产业所忽略，因为它是对于人类 感知更引人注意的。然而，由于通过像素大小的微粉化而在量子效率方面的降低，颜色S/N 比已经成为成长的问题，尤其是因为产业标准Bayer图案和许多其他众所周知的高级滤色 器图案都倾向于以丧失甚至更多颜色S/N比的方式而有利于亮度S/N比。例如，Bayer图 案使用50%绿色、25%红色和25%蓝色，并且典型的众所周知的RGBW图案使用25%白色、25% 绿色、25%红色和25%蓝色。这些图案设计并不良好地对应于硅中颜色的吸收系数，如下表 1中所示： 表1。
[0008] 与绿色相比，硅具有对蓝色的更大吸收，并且与红色相比具有对绿色的更大吸收。
[0009] 因此，存在对于滤色器设计和配置的需要以进一步改进数字图像传感器而同时维 持亮度S/N比、颜色S/N比和量子效率的可接受水平，尤其是对于位于像素阵列边缘上的像 素而3。
【发明内容】
[0010] 由一种成像设备来解决前述问题和需要，所述成像设备包括：光电检测器的阵列， 每个光电检测器被配置成响应于接收的光而生成电信号；以及滤色器的阵列，其被置于所 述光电检测器的阵列之上以使得所述光电检测器接收穿过所述滤色器的光。每个滤色器具 有颜色传输特性。所述滤色器中的一些滤色器的颜色传输特性与所述滤色器中的其他滤色 器的颜色传输特性不同。第一多个滤色器中的每一个被置于多个光电检测器之上。第二多 个滤色器中的每一个被置于光电检测器中的仅一个之上。
[0011] -种成像设备包括：光电检测器的阵列，每个光电检测器被配置成响应于接收的 光而生成电信号；以及滤色器的阵列，其被置于所述光电检测器的阵列之上以使得所述光 电检测器接收穿过所述滤色器的光。所述滤色器的阵列包括：第一多个滤色器，其具有第一 颜色传输特性并被置于第一多个光电检测器之上；第二多个滤色器，其具有第二颜色传输 特性并被置于第二多个光电检测器之上；以及第三多个滤色器，其具有第三颜色传输特性 并被置于第三多个光电检测器之上，其中所述第一、第二和第三颜色传输特性彼此不同。所 述光电检测器的阵列具有对应于所述第一颜色传输特性的第一吸收系数、对应于所述第二 颜色传输特性的第二吸收系数和对应于所述第三颜色传输特性的第三吸收系数。所述第一 吸收系数大于所述第二吸收系数，以及所述第二吸收系数大于所述第三吸收系数。所述第 三多个滤色器比所述第二多个滤色器覆盖所述光电检测器的阵列的更大面积，并且所述第 二多个滤色器比第一多个滤色器覆盖所述光电检测器的阵列的更大面积。
[0012] 本发明的其他目的和特征将通过回顾说明书、权利要求书和附图而变得显而易 见。
【附图说明】
[0013] 图1是常规的滤色器图案的示意性顶视图。
[0014] 图2是本发明的滤色器图案的示意性顶视图。
[0015] 图3是图像传感器像素阵列的示意性顶视图。
[0016] 图4是图像传感器像素阵列的替换实施例的示意性顶视图。
[0017] 图5是具有对应滤色器的图像传感器像素的侧横截面视图。
[0018] 图6是滤色器图案的替换实施例的示意性顶视图。
[0019] 图7是滤色器图案的替换实施例的示意性顶视图。
[0020] 图8是图像传感器像素阵列的替换实施例的示意性顶视图。
[0021] 图9是滤色器图案的替换实施例的示意性顶视图。
[0022] 图10是图像传感器像素阵列的替换实施例的示意性顶视图。
[0023] 图11是滤色器图案的替换实施例的示意性顶视图。
[0024] 图12是滤色器图案的替换实施例的示意性顶视图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明是用于光电检测器的行和列的阵列的改进的滤色器配置。图2图示了增强 边缘像素量子效率的滤色器阵列配置10的左上角。滤色器阵列10包括被布置在阵列中、 优选地但非必要地一起连续地形成的多个单独的滤色器11。每个滤色器具有指示它将使 哪个颜色的光通过而同时阻挡其他颜色的光的颜色传输特性。例如，蓝色过滤器具有蓝颜 色传输特性，其将传输某些蓝色光波长的大部分或全部而同时吸收或阻挡其他颜色的光的 大部分或全部，而红色过滤器具有红颜色传输特性，其将传输某些红色光波长的大部分或 全部而同时吸收或阻挡其他颜色的光的大部分或全部，等等。白色过滤器是具有使大部分 或所有颜色的光通过的白颜色传输特性的材料或孔隙。量子效率朝向图像传感器的边缘变 差。因此，在图像传感器的边缘上使用每颜色较大面积将允许每个所选颜色的更多光被捕 获，并从而改进边缘像素上的量子效率。
[0026] 图2中的滤色器配置的角部分包含大小不同的两种类型的滤色器11。外部滤色 器12是亲(外部）过滤器，而内部滤色器14是子（内部）过滤器。亲滤色器12是其子滤色 器14的大小的"η"倍。对于其中亲滤色器12比其子滤色器14在大小上更大的情况(其是 针对图2的情况）而言，"η"的值则大于1。对于其中亲滤色器比其子滤色器在大小上更小 的情况而言，"η"的值则大于零但小于1。如果将包括子滤色器的附加大小（即，该子的子)， 则当前子滤色器被视为对于附加滤色器大小的亲滤色器，其中新的"η"值规定了二者之间 的大小关系。该定大小配置可以被无限重复以累积图像传感器阵列中的一个或多个附加子 滤色器大小。
[0027] 滤色器阵列10具有按照不同滤色器大小的数目的长度X、高度Y和宽度Ζ。如图 2中示出的滤色器阵列10