三维图像传感器的像素阵列的制作方法

专利名称：三维图像传感器的像素阵列的制作方法
技术领域：
示例实施例涉及三维彩色图像传感器的像素阵列，并更具体地，涉及通 过选择性使用彼此相邻安排的多个距离测量像素的每个或组合信号来测量距 离的三维图像传感器。
背景技术：
三维图像传感器可通过测量对象的彩色图像和到对象的距离，而在三维 中实现对象的颜色。三维图像传感器可包括颜色测量像素和距离测量像素。 颜色测量像素(下面也称为颜色像素)可包括红像素、绿像素、蓝像素等， 而颜色像素和距离测量像素可按照阵列形式排列。
颜色像素的尺寸可非常小，例如等于或低于2微米，而传统距离测量像 素可大于颜色像素。因此，用于颜色像素的显微镜头(micro lens)的尺寸和 用于距离测量像素的显微镜头的尺寸可不同。另外，例如衬底上的颜色像素 的光电二极管的光电变换元件的位置可与距离测量像素的位置不同。结果， 由于显微镜头的尺寸和光电二极管的位置可使得很难制造三维图像传感器。
此外，传统三维图像传感器可根据亮度具有低灵敏度。

发明内容
示例实施例提供了可根据亮度改变距离测量像素的区域的三维图像传感 器的像素阵列。
示例实施例还提供了一种三维图像传感器，其中在像素阵列上形成的显 微镜头的尺寸可相同，并且光电变换器的位置可相同。示例实施例提供了一种三维图像传感器，包括多个单元像素图案，每一单元像素图案包括按照阵列形式排列的 一个或多个颜色像素和距离测量像素，其中按照这样的方式排列所述多个单元像素图案，使得彼此相邻安排距离测量像素组。
所述彼此相邻安排的距离测量像素组可以是四个距离测量像素，其中所述四个距离测量^f象素可以按照正方形形式排列。
所述一个或多个颜色像素可包括从包括红像素、绿像素、蓝像素、品红
像素、青像素、黄像素、和白像素的组中选择的至少两个像素。
所述一个或多个颜色像素中的每一个和距离测量像素可基本上具有相同
的尺寸。
示例实施例提供了 一种三维图像传感器的像素阵列，该像素阵列包括第一颜色像素图案，包括N个相邻第一颜色像素；第二颜色像素图案，包括N个相邻第二颜色像素；第三颜色像素图案，包括N个相邻第三颜色像素；和距离测量像素图案，其中N是大于2的自然数。
所述第一到第三颜色像素可从包括红像素、绿像素、蓝像素、品红像素、青像素、黄像素、或白像素的组中选择。
所述距离测量像素图案可包括N个相邻距离测量像素，其中所述第 一到第三颜色像素中的每一个和距离测量像素可基本上具有相同的尺寸。
该距离测量像素可比所述第 一到第三颜色像素中的每一个具有大N倍的尺寸。
示例实施例提供了一种三维图像传感器的像素阵列，包括颜色像素图案，包括多个相邻颜色像素；和距离测量像素图案，具有和颜色像素图案基本相同的尺寸。
该距离测量像素图案可包括多个距离测量像素。
该距离测量像素图案可包括与颜色像素图案具有基本相同的尺寸的距离测量像素。
示例实施例提供了一种三维图像传感器，包括所述像素阵列；和多个显微镜头，每一显微镜头与所述一个或多个颜色像素和距离测量像素中的每一个对应地形成，其中所述多个显微镜头中的每一个具有基本相同的尺寸。


通过参考附图详细描述示例实施例，示例实施例的以上和其他特征和优点将变得更清楚。附图意欲描绘示例实施例，并不应被解释为限制权利要求的预期范围。附图不应被看作按比例绘制的，除非明确表明。
图1是示意性图示了根据示例实施例的三维图像传感器的像素阵列的平
面图2是沿着图1的线II-II的横断面视图3是示意性图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的像素阵列的平面图4是沿着图3的线IV-IV的横断面视图；图5是图示了根据示例实施例的三维图像传感器的配置的框图；图6是图5的像素的等效电路图；图7是图1和3中图示的距离测量像素的等效电路图；图8是图示了根据示例实施例的包括图7的距离测量像素的三维图像传感器的框图9是图示了根据另 一示例实施例的三维图像传感器的配置的框图；图IO是图9的像素的等效电路图。
图11是根据示例实施例的三维图像传感器的距离测量像素的等效电路
图12是图11的框图13是图示了根据示例实施例的图像传感器的框图；图14是图示了根据另 一 示例实施例的图像传感器的框图；图15是示意性图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的像素阵列的平面图16是沿着图15的线XVI-XVI的横断面视图17是示意性图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的像素阵列的平面图18是沿着图17的线XVIII-XVIII的横断面视图；图19是示意性图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的像素阵列的平面图；和
图20是沿着图19的线XX-XX的横断面视图。
具体实施例方式
这里公开了详细示例实施例。然而，为了描述示例实施例的目的，这里公开的特定结构和功能细节仅是代表性的。然而，示例实施例可按照许多替换形式实现，并不应被解释为仅限于这里阐明的实施例。
因此，尽管示例实施例能够具有各种变型和替换形式，但是作为图中的示例而示出了其实施例，并将在这里详细描述其实施例。然而，应理解的是，不意欲将示例实施例限于公开的特定形式，而相反，示例实施例应覆盖落入示例实施例的范围之内的所有变型、等效物、和替代物。贯穿图中的描述，相同的附图标记始终表示相同的元件。
将理解的是，尽管可在这里使用术语"第一"、"第二"等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于对元件进行彼此区分。例如，第一元件可^^皮称作第二元件，并且类似地，第二元件可^C称作第一元件，而不脱离示例实施例的范围。如这里使用的，术语"和/或"包括关联列出的项目中的一个或多个的任何和所有组合。
将理解的是，当元件被称作与另一元件"相连"或"耦接"时，其可与所述另一元件直接相连或耦接，或者可存在居间元件。相反，当元件被称作与另一元件直接"直接相连，，或"直接耦接"时，不存在居间元件。应按照相同的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，"在……之间"与"直接在……之间"、"相邻"与"直接相邻"等)。
这里使用的术语是为了仅描述特定实施例的目的，并不意欲限制示例实
施例。如这里使用的，单数形式"一 (a)"、 "一 (an)"和"该(the)"也意欲包括复数形式，除非上下文以别的方式进行了明确指示。还将理解的是，术语"包括(comprises )，，、"包括(comprising )，，、"包含(includes )"和/或"包含(including)"当在这里使用中，指定所阐明的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。
还应注意的是，在一些替换实现中，所注明的功能/动作可不按照图中注明的顺序来发生。例如，连续示出的两个图可事实上基本上并发执行、或可有时按照相反顺序执行，这取决于涉及的功能性/动作.
图1是示意性图示了根据示例实施例的三维图像传感器的像素阵列100的平面图。参考图1，三维图像传感器的像素阵列100可包括作为颜色像素的红像素R、绿像素G和蓝像素B、以及距离测量像素Z。可排列包括红、绿、蓝、以及距离测量像素的四个像素R、 G、 B和Z，以形成正方形。红、绿、蓝、以及距离测量像素R、 G、 B和Z可具有相同尺寸。
彼此相邻安排的一些距离测量像素Z (例如，四个单元像素图案102的四个距离测量像素Z)可彼此相邻地排列，以形成正方形形状。距离测量像素Z可测量具有红外线波长的光的强度，并且当亮度低时，与颜色像素的检测灵敏度相比，距离测量像素Z的检测灵敏度可变低。
在图1中，像素阵列100中图示的颜色像素包括红像素R、绿像素G和蓝像素B,但是示例实施例不限于此。例如，颜色像素可包括红像素R、绿像素G、蓝像素B、品红像素Mg、青像素Cy、黄像素Y、和白像素W中的至少两个像素。
图2是沿着图1的线n-n的横断面视图。参考图2，绿、红、和距离测量像素G、 R和Z可形成在例如p类型硅衬底的衬底120上。绿像素G可包括显微镜头130、绿滤镜131和光电变换器件132。红像素R可包括显微镜头140、红滤镜141和光电变换器件142。光电变换器件132和142可以是n类型区域，并可形成具有p类型衬底120的p-n结光电二极管。
距离测量像素Z可包括显微镜头150、红外线滤镜151、和光电变换器件152。光电变换器件152可以是n类型区域，并可形成具有p类型衬底120的p-n结光电二极管。
光电变换器件132、 142和152可以被称为光电二极管。另外，滤色镜可不仅表示红滤镜、绿滤镜、和蓝滤镜，而且表示红外线滤镜。
显微镜头130、 140和150可具有基本相同的尺寸。光电变换器件132、142和152可接收来自显微镜头130、 140和150的聚焦光，并且由于显微镜头130、 140和150可具有基本相同的尺寸，所以光电变换器件132、 142和152可位于距该衬底120的表面的相同深度处。另外，尽管图2中未图示，但是蓝像素B可与绿像素G、红像素R和距离测量像素Z具有相同结构。
因此，光电变换器件132、 142和152可形成在距该村底120的相同深度处，并且可具有相同尺寸的显微镜头130、 140和150可通过使用传统半导体工艺经由蚀刻而形成，并由此可容易地制造根据示例实施例的三维图像传感器。
8图3是示意性图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的像素阵列200的平面图。
参考图3，像素阵列200可包括颜色像素图案和距离测量像素图案208，该颜色像素图案包括红像素图案202、绿像素图案204、和蓝像素图案206。所述红像素、绿像素、蓝像素和距离测量像素图案202、 204、 206和208中的每一个可基本上具有相同的尺寸。
在图3中，红像素图案202、绿像素图案204、和蓝像素图案206分别被图示为包括4个红像素R、 4个绿像素G、和4个蓝像素B。在图3中，尽管每一颜色像素图案被图示为包括4个颜色像素，但是示例实施例不限于此。例如，每一颜色像素图案可包括2个或3个颜色像素。
在图3中，尽管颜色像素图案被图示为包括红像素R、绿像素G、和蓝像素B，但是示例实施例不限于此。例如，颜色像素图案可包括红像素R、绿像素G、蓝像素B、品红像素Mg、青像素Cy、黄像素Y、和白像素W中的至少3个像素。
距离测量像素图案208可包括多个(例如四个)距离测量像素Z。这四个距离测量像素Z可彼此相邻地安排。距离测量像素Z可测量具有红外线波长的光的强度，并且与具有其他颜色像素的波长的其他光相比，当亮度低时，
可具有低的光检测灵敏度。
多个每一颜色像素(例如四个每一颜色像素)可彼此相邻地安排以形成
正方形。
图4是沿着图3的线IV-IV的横断面视图。参考图4,红像素R和距离测量像素Z可形成在例如p类型硅衬底的衬底220上。红像素R可包括显微镜头230、红滤镜241、和光电变换器件232。光电变换器件232可以是n区域，并可形成具有p类型衬底220的p-n结光电二4及管。
距离测量像素Z可包括显微镜头240、红外线滤镜241、和光电变换器件242。光电变换器件242可以是n类型区域，并可形成具有p类型衬底220的p-n结光电二极管。光电变换器件232和242可被称为光电二极管。另外，滤色镜可不仅表示红滤镜、绿滤镜和蓝滤镜，而且表示红外线滤镜。
显微镜头230和240可具有基本相同的尺寸。光电变换器件232和242可接收来自显微镜头230和240的聚焦光，并且由于显微镜头230和240可具有基本相同的尺寸，所以光电变换器件232和242可位于距该衬底220的表面的相同深度处。另外，尽管图3中未图示，但是蓝和绿像素B和G可与 红像素R和距离测量像素Z具有基本相同的结构。
因此，光电变换器件232和242可形成在距该^)"底220的相同深度处， 并且可具有相同尺寸的显微镜头230和240可通过使用传统半导体工艺经由 蚀刻而形成。因此，可容易地制造根据示例实施例的三维图像传感器。
图5是图示了才艮据示例实施例的三维图像传感器的配置的框图。
参考图5,可如图4所示彼此相邻安排的四个相同颜色像素Pl到P4可 具有与颜色像素P1到P4中的每一个相连的四个》文大器AMP、以及来自这4 个放大器AMP的电信号可输入到的积分器(integrator) INT。四个开关单元 SW1到SW4可分别安排在颜色像素Pl到P4与这4个放大器AMP之间。
颜色像素Pl到P4可以是红像素R、绿像素G、蓝像素B、品红像素Mg、 青像素Cy、黄像素Y、或白像素W中的一个。
当开关单元SW1到SW4全部接通时，来自颜色像素Pl到P4的信号可 在积分器INT中积分，并且来自积分器INT的信号可传送到比较器250和确 定器260。比较器250可比较接收信号的值与参考值Vhigh,并且当接收信号 的值等于或低于参考值Vhigh时，比较器250可向确定器260传送信号"1"。 当接收信号的值高于参考值Vhigh时，比较器250可向确定器260传送信号"0"。 然后，当接收到信号"1"时，确定器160可打开第一通门261，而当接收到 信号"0"时，确定器160可打开第二通门262。积分器INT中积分的模拟信 号可被传送到第一通门261，并且该模拟信号可被传送到模拟信号处理器 270。
当打开第二通门262时，开关单元SW1到SW4可顺序打开和关闭，并 由此来自颜色像素Pl到P4的电信号可顺序传送到积分器INT。然后，来自 积分器INT的电信号可顺序传送到模拟信号处理器270。
比较器250和确定器260可形成信号控制器269，用于根据亮度选择要 传送到模拟信号处理器270的信号。
传送到模拟信号处理器270的信号可输入到^^莫数变换器280,在模数变 换器280中变换为数字信号，并然后传送到图像信号处理器290。
图6是图5的颜色像素P1到P4的等效电路图。
参考图6，颜色像素Pl到P4中的每一个可包括转移晶体管TRF、复位 晶体管RST、驱动晶体管DRV、和选择晶体管SEL。其每一根可与颜色像素Pl到P4的选择晶体管SEL的一端相连的输出线OUT可并联地与积分输出线 291连接。
浮置扩散区FD可连接到驱动晶体管DRV的栅极和复位晶体管RST，并 且驱动晶体管DRV可经由选择晶体管SEL向积分输出线191传送来自浮置 扩散区FD的信号。
图5中的开关单元SW1到SW4可以分别是选择晶体管SEL。另外，开 关单元SW1到SW4可以是在选择晶体管SEL和积分输出线291之间分别安 排的开关(未示出)。
图5的积分器INT可以是积分输出线291,并且为了对来自颜色像素P1 到P4的所有信号进行积分，开关单元SW1到SW4可以同时接通。另外，开 关单元SW1到SW4可以顺序接通，以便获得来自颜色像素Pl到P4的每一 信号。
图5的每一放大器AMP可由对应像素的驱动晶体管DRV和选择晶体管 SEL组成。
根据图5和6的结构，仅一个信号可被传送到模拟信号处理器270，并 由此可降低所需要的模拟信号变换器280的数目。
根据三维图像传感器200,当亮度低时，可通过检测在四个像素的区域 上照射的光之和，来荻取一个像素数据，以便用作这四个像素的每一像素数 据，并由此可改善三维图像传感器200的灵敏度。另外，当亮度高时，可将 每一像素数据独立用作图像数据，并由此可改善图^象分辨率。
图7是图1到3中图示的距离测量像素的等效电路图。和上述实施例中 一样，图中的相同附图标记表示相同的元件，并不重复其细节。
参考图7,彼此相邻安排的4个距离测量像素Zl到Z4中的每一个可包 括一个光电二极管PD、以及具有相位差的来自光电二极管PD的电荷可向其 转移的第一和第二电路。第一电路可包括转移晶体管TRF1、复位晶体管 RST1、驱动晶体管DRV1、和选择晶体管SEL1。第二电路可包括转移晶体管 TRF2、复位晶体管RST2、驱动晶体管DRV2、和选择晶体管SEL2。距离测 量像素Zl到Z4的第一电路的输出线OUT1可并联地与第一积分输出线293 连接，并且第二电路的输出线OUT2可并联地与第二积分输出线294连接。 在图7中，省略距离测量像素Z2到Z4的一些配置。
可使用第一或第二积分输出线293或294来测量对象的亮度，并可基于对象的亮度来确定是积分来自距离测量像素Zl到Z4的信号还是单独使用来 自距离测量像素Zl到Z4的信号。
第一浮置扩散区FD1可与第一驱动晶体管DRV1的栅极和复位晶体管 RST1相连，并且第二浮置扩散区FD2可与驱动晶体管DRV2的栅极和复位 晶体管RST2相连。驱动晶体管DRV1和DRV2经由选择晶体管SEL1和SEL2 将来自第 一和第二浮置扩散区FD1和FD2的信号分别传送到第 一和第二积分 输出线293和294。
其间，还可在光电二极管与转移晶体管TRF1和TRF2之间形成光电栅极 (photo gates )(未示出)。
图8是图示了包括图7的距离测量像素Z1到Z4的三维图像传感器的框 图。图中的相同附图标记表示相同元件，并将不重复其细节。
参考图8,与图5中示出的颜色像素的结构相比，距离测量像素Zl到 Z4还可包括开关单元SW5到SW8、其每一个可与开关单元SW5到SW8相 连的放大器AMP，、以及来自放大器AMP，的信号可输入到的积分器INT，。 来自积分器INT，的信号可被传送到第三通门263和第四通门264，并且来自 第三和第四通门263和264的信号可被传送到模拟信号处理器270、模拟数 字变换器280、和图像信号处理器290。
图8的开关单元SW1到SW4可以分别是距离测量像素Zl到Z4的选择 晶体管SEL1，并且开关单元SW5到SW8可以分别是距离测量像素Zl到Z4 的选择晶体管SEL2。作为选择，开关单元SW1到SW8可以分别是在选择晶 体管SEL1和SEL2与第一和第二积分输出线293和294之间安排的开关(未 示出)。
图8的积分器INT和INT，可以分别是第 一和第二积分输出线293和294。 图8的放大器AMP和AMP，可以由对应像素的驱动晶体管DRV1和DRV2和 选择晶体管SEL1和SEL2組成。
当开关单元SW1到SW4全部接通时，来自像素Zl到Z4的信号可在积 分器INT中积分，并且来自积分器INT的信号可被传送到比较器250和确定 器260。比较器250可比较接收信号的值和参考值VHigh，并且当该值等于或 低于参考值VHigh时，比较器250可向确定器260传送信号"1",而当该值高 于参考值VHigh时，比较器250可向确定器260传送信号"0"。当接收到信号 "I"时，确定器260可打开第一和第三通门261和263，而当接收到信号"0"
12时，确定器260可打开第二和第四通门262和264。
比较器250和确定器260可形成信号控制器269，并且信号控制器269 可根据亮度的强度来选择要传送到模拟信号处理器270的信号。
当接收到信号"1"时，即，当来自对象的光的强度低时，积分器INT 中积分的模拟信号可传送到第一通门261，而第一通门261处的模拟信号可 传送到模拟信号处理器270。积分器INT，中积分的;f莫拟信号可传送到第三通 门263，而第三通门263处的模拟信号可传送到模拟信号处理器270。开关单 元SW1到SW4可一起接通，而开关单元SW5到SW8可与开关单元SW1到 SW4存在相位差地一起接通，并因此，来自距离测量像素Z1到Z4的信号可 顺序传送到模拟信号处理器270作为具有相位差的两个信号。
当接收到信号"0"时，即，当来自对象的光的强度高时，第二和第四通 门262和264可打开，而开关单元SW1到SW4可顺序打开和关闭。因此， 来自距离测量像素Zl到Z4的电信号可顺序传送到积分器INT，并且电信号 可顺序传送到模拟信号处理器270。另外，开关单元SW5到SW8可顺序打 开和关闭，以与对应开关单元SW1到SW4具有相位差。因此，来自距离测 量像素Zl到Z4的电信号可顺序传送到积分器INT，。来自积分器INT和INT， 的具有相位差的信号可顺序传送到模拟信号处理器270。
传送到模拟信号处理器270的信号可在模数变换器280中被变换为数字 信号，并然后传送到图像信号处理器290。
通过使用具有相位差的信号来测量距主体的距离是本领域技术人员公知 的，并由此这里省略其细节。
图9是图示了根据另 一 示例实施例的三维图像传感器的配置的框图。
参考图9，四个相邻颜色像素Pl到P4可具有分别与颜色像素Pl到P4 相连的开关单元SW1到SW4、可与开关单元SW1到SW4相连以接收来自 颜色像素Pl到P4的信号的积分器INT、和可接收来自积分器INT的信号的 放大器AMP。
颜色像素P1到P4中的每一个可以是红像素R、绿像素G、蓝像素B、 品红像素Mg、青像素Cy、黄像素Y、或白像素W中的一个。
当开关单元SW1到SW4全部接通时，来自积分器INT的信号可传送到 比较器250和确定器260。比较器250可比较接收信号的值和参考值VHigh， 并且当接收信号的值等于或低于参考值VHigh时，比较器250可向确定器260传送信号"1",而当该接收信号的值高于参考值VHigh时，比较器250可向确 定器260传送信号"0"。因此，当接收到信号"1"时，确定器260可打开第 一通门261，而当接收到信号"0"时，确定器260可打开第二通门262。积 分器INT中积分的模拟信号可以被传送到第一通门261，并且该模拟信号可 被传送到模拟信号处理器270。
当第二通门262打开时，分时器295可顺序打开和关闭开关单元SW1到 SW4,并由此来自颜色像素P1到P4的电信号可顺序传送到积分器INT。因 此，电信号可经由第二通门262顺序传送到模拟信号处理器270。分时器295 可将同步信号传送到模拟信号处理器270。同步信号可包括有关以下像素Pl 到P4的信息，每一信号从像素Pl到P4传送到模拟信号处理器270。比较器 250和确定器260形成信号控制器269，并且信号控制器269可根据亮度的强 度选择要传送到模拟信号处理器270的信号。
传送到模拟信号处理器270的信号可在模数变换器280中变换为数字信 号，并然后传送到图像信号处理器290。
图10是图9的颜色像素P1到P4的等效电路图。
参考图10，颜色像素Pl到P4可分别包括光电二极管PD1到PD4以及 转移晶体管TRF1到TRF4。转移晶体管TRF1到TRF4的第一端可分别连接 到光电二极管PD1到PD4,并且转移晶体管TRF1到TRF4的第二端可并联 连接到浮置扩散区FD。
颜色像素P1到P4还可包括与浮置扩散区FD相连的复位晶体管RST、 具有与浮置扩散区FD相连的栅极的驱动晶体管DRV、和选择晶体管SEL。
驱动晶体管DRV和选择晶体管SEL可形成图9中的放大器AMP。图9 中的开关单元SW1到SW4可以分别是转移晶体管TRF1到TRF4。作为选择， 开关单元SW1到SW4可以分别是在转移晶体管TRF1到TRF4和浮置扩散区 FD之间形成的开关(未示出)。
图9的积分器INT可以是图10的浮置扩散区FD，并且开关单元SW1 到SW4可以同时接通，以便对来自颜色像素Pl到P4的所有信号进行积分。 另外，为了单独获得来自颜色像素P1到P4的信号，可以使用分时器295来 顺序接通开关单元SW1到SW4。
根据图9和10的实施例，输入到模拟信号处理器270的信号的数目可以 是一，并由此可降低模拟数字变换器280的数目。另外，由于颜色像素P1到P4所需要的放大器AMP的数目可以为一，所以可显著降低晶体管的数目。 图11是根据示例实施例的距离测量像素Zl到Z4的等效电路图，而图
12是图示了包括图11的距离测量像素Z1-Z4的三维图像传感器的框图。
参考图11和12,可彼此相邻安排的四个距离测量像素Zl到Z4中的每
一个可包括一个光电二极管PD1到PD4、以及来自对应光电二极管PD1到
PD4的电荷可具有相位差地向其转移的第一和第二转移晶体管TRF1和
TRF2。
距离测量像素Zl到Z4的第一转移晶体管TRF1可并联连接到第一浮置 扩散区FD1,并且第二转移晶体管TRF2可并联连接到第二浮置扩散区FD2。
相邻距离测量像素Zl到Z4可包括与第一扩散区FD1相连的复位晶体管 RST1、具有与第一浮置扩散区FD1相连的栅极的驱动晶体管DRV1、选择晶 体管SEL1、与第二浮置扩散区FD2相连的复位晶体管RST2、具有与浮置扩 散区FD2相连的栅极的驱动晶体管DRV2、和选择晶体管SEL2。
其间，光电栅极(未示出)还可安排在光电二极管PD1到PD4与第一和 第二转移晶体管TRF1和TRF2之间。
与图9中所示的颜色像素的结构相比，这四个相邻距离测量像素Zl到 Z4还可包括开关单元SW5到SW8、与开关单元SW5到SW8相连的积分器 INT，、以及来自积分器INT，的信号可传送到的放大器AMP，。来自积分器INT， 的信号可传送到第三通门263和第四通门264，而来自第三和第四通门263 和264的信号可传送到模拟信号处理器270、模拟数字变换器280、和图像信 号处理器290。
可使用积分器INT或INT，来测量对象的亮度的强度。为了方便，可通过 使用来自图12的积分器INT的信号来测量亮度。基于所测量的亮度，可确定 是将距离测量像素Zl到Z4的信号积分为一个信号还是单独使用距离测量像 素Z1到Z4的信号。
图12的开关单元SW1到SW4可以分别是距离测量像素Zl到Z4的第 一转移晶体管TRF1，而开关单元SW5到SW8可以分别是距离测量像素Zl 到Z4的第二转移晶体管TRF2。作为选择，开关单元SW1到SW8可以是在 第一和第二转移晶体管TRF1和TRF2与第一和第二浮置扩散区FD1和FD2 之间分别形成的开关(未示出)。
开关单元SW1到SW4可同时接通，而开关单元SW5到SW8可与开关单元SW1到SW4存在相位差地同时接通，以便对来自距离测量像素Zl到 Z4的信号进行积分。另外，开关单元SW1到SW4可顺序接通，而对应开关 单元SW5到SW8可通过使用分时器295而与对应开关单元SW1到SW4存 在相位差地顺序接通，以便单独获得来自距离测量像素Zl到Z4的信号。分 时器295可向模拟信号处理器270传送可包括有关哪个开关单元接通的信息 的信号。
图12的放大器AMP和AMP，可由对应像素的驱动晶体管DRV1和DRV2 以及选择晶体管SEL1和SEL2组成。
图13是图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的框图。
参考图13,与图5的三维图像传感器相比，图13中描绘的三维图像传 感器还可包括用于确定对象的亮度的强度的亮度表300和分时器295。亮度 表300可在对象上照射具有红外线波长的光，从对象接收具有红外线波长的 反射光，并将与接收的光对应的电信号传送到确定器360。当确定电信号的 值等于或小于预定值时，确定器360可打开第一通门261,而当确定电信号 的值高于预定值时，确定器360可打开第二通门262。
当打开第一通门时，分时器295可接通所有开关单元SW1到SW4，并 由此可将积分器INT中积分的模拟信号传送到第一通门261,并然后可将模 拟信号传送到模拟信号处理器270。
当打开第二通门262时，分时器295可顺序接通关闭开关单元SW1到 SW4,以便将来自颜色像素P1到P4的电信号传送到积分器INT。因此，电 信号被顺序传送到模拟信号处理器270。分时器295可将同步信号传送到模 拟信号处理器270。该同步信号可包括有关从其向模拟信号处理器270传送 信号的颜色像素的信息。
传送到模拟信号处理器270的信号可在模数变换器280中被变换为数字 信号，并然后被传送到图像信号处理器290。
图14是图示了根据另 一 示例实施例的三维图像传感器的框图。
参考图14，与图9的三维图像传感器相比，根据当前实施例的三维图像 传感器可包括作为用于确定来自对象的光的强度的部件的亮度表300。亮度 表300可在对象上照射具有红外线波长的光，从对象接收具有红外线波长的 反射光，并将与接收的光对应的电信号传送到确定器360。当确定电信号的 值等于或低于预定值时，确定器360可打开第一通门261，而当确定该值高于选定值时，确定器360可打开第二通门262。
当打开第一通门261时，分时器295可接通所有开关单元SW1到SW4, 并由此可将积分器INT中积分的模拟信号传送到第一通门261,并然后传送 到模拟信号处理器270。
当打开第二通门262时，分时器295可顺序接通和关闭开关单元SW1到 SW4，并由此可将来自颜色像素Pl到P4的电信号顺序传送到积分器INT。 因此，电信号可被顺序传送到模拟信号处理器270。
传送到模拟信号处理器270的信号可在模数变换器280中被变换为数字 信号，并然后^皮传送到图像信号处理器290。
图13和14中的亮度表300可适于图8和12中的三维图像传感器，并省 略其细节。
图15是示意性图示了根据另一示例实施例的三维图像传感器的像素阵 列400的平面图。
参考图15,三维图像传感器的像素阵列400可包括颜色像素图案412和 距离测量像素图案414。颜色像素图案412和距离测量像素图案414可按照 阵列形式排列。参考图15,可对应排列多个(例如3个)颜色像素图案412 和一个距离测量像素414,但是示例实施例不限于此。
在图15中，颜色像素图案412被图示为包括红像素R、绿像素G和蓝像 素B，但是示例实施例不限于此。例如，颜色像素图案412可包括红像素R、 绿像素G、蓝像素B、品红像素Mg、青像素Cy、黄像素Y、和白像素W中 的至少两个。
距离测量像素图案414可包括多个距离测量像素，例如4个距离测量像 素Zl到Z4。红像素R、绿像素G、蓝像素B、以及距离测量像素Zl到Z4 中的每一个可具有基本相同的尺寸。
图16是沿着图15的线XVI-XVI的横断面视图。参考图16，红像素R、 绿像素G、以及距离测量像素Zl和Z2可形成在例如p类型硅衬底的衬底420 上。红像素R可包括显微镜头430、红滤色镜431、以及光电变换器件432。 光电变换器件432可以是n类型区域，并可形成具有p类型衬底420的p-n 结光电二极管。
绿像素G可包括显微镜头440、绿滤色镜441、以及光电变换器件442。 光电变换器件442可以是n类型区域，并可形成具有p类型衬底420的p-n结光电二极管。
距离测量像素Zl和Z2中的每一个可包括显微镜头450、红外线滤镜451 、 以及光电变换器件452。光电变换器件452可以是n类型区域，并可形成具 有p类型村底420的p-n结光电二极管。
蓝像素B与绿和红像素G和R具有相同的结构，并省略其细节。
光电变换器件432、 442和452可基本上具有距村底420的表面的相同深 度。另外，显微镜头430、 440和450可具有基本相同的尺寸。
因此，光电变换器件432、 442和452形成在距衬底420的相同深度处， 并且具有相同尺寸的显微镜头430、 440和450可通过使用传统半导体工艺经 由蚀刻而形成，并由此可容易地制造根据示例实施例的包括像素阵列400的 图像传感器。
当亮度低时，通过检测在四个像素Zl到Z4的区域上照射的光之和，来 获取一个像素数据，以便用作这四个像素Z1到Z4中的每一像素数据，并由 此可改善包括像素阵列400的图像传感器的距离测量灵敏度。另外，当亮度 高时，单独使用来自距离测量像素Z1到Z4的信号，并由此可改善距离测量 分辨率。此外，由于独立安排每一颜色像素，所以可改善彩色图像分辨率。
距离测量像素图案414可具有图7和8或图11和12中图示的结构，并 省略其细节。
图17是示意性图示了根据示例实施例的三维图像传感器的像素阵列500 的平面图。
参考图17，三维图像传感器的像素阵列500可包括颜色像素图案和距离 测量像素图案514,该颜色像素图案包括红像素图案511、绿像素图案512、 和蓝像素图案513。所述红像素、绿像素、蓝像素和距离测量像素图案511、 512、 513和514中的每一个可基本上具有相同的尺寸。
红像素图案511、绿像素图案512、和蓝像素图案513被图示为分别包括 4个红像素R、 4个绿像素G、和4个蓝像素B。在图17中，尽管每一颜色 像素图案包括4个颜色像素，但是示例实施例不限于此。例如，每一颜色像 素图案可包括2个或3个颜色像素。
在图17中，尽管像素阵列500被图示为包括包括红像素R、绿像素G、 和蓝像素B的颜色像素图案，但是示例实施例不限于此。例如，颜色像素图 案可包括红像素R、绿像素G、蓝像素、品红像素Mg、青像素Cy、黄像素Y、和白像素W中的三个像素。
考虑到低红外光灵敏度，距离测量像素图案514可由具有更大尺寸的一 个距离测量像素Z形成。
图18是沿着图17的线xvm-xvm的横断面视图。参考图18，红像素
图案511和距离测量像素图案514可形成在例如p类型硅衬底的衬底520上。 红像素图案511可包括对应红滤镜531、显微镜头530、以及其每一个可对应 于红像素R的四个光电变换器件532。绿像素图案512和蓝像素图案513可 与红像素图案511具有相同结构，并省略其细节。
距离测量像素图案514可包括显微镜头540、红外线滤镜541、和光电变 换器件542。
另外，显微镜头530和540可具有基本相同的尺寸。
因此，光电变换器件可形成在距该衬底520的相同深度处，并且可具有 相同尺寸的显微镜头可通过使用传统半导体工艺经由蚀刻而形成。由此，可 容易地制造根据当前示例实施例的包括像素阵列500的三维图像传感器。
当亮度低时，可通过检测在颜色像素图案511、 512和513中的每一个中 的四个颜色像素的区域上照射的光之和，来获取一个像素数据，以便用作颜 色像素图案511、 512和513中的每一个中的每一像素数据。由此，可改善像 素阵列500的颜色测量灵敏度。另外，当亮度高时，可单独使用来自每一颜 色像素图案511、 512和513中的每一颜色像素的信号，并由此可改善颜色测 量分辨率。
颜色像素图案511、 512和513的像素可具有图5和6或图9和10中图 示的结构，并省略其细节。
图19是示意性图示了根据示例实施例的三维图像传感器的像素阵列600 的平面图。
参考图19,像素阵列600可包括颜色像素图案611和距离测量像素图案 614。颜色像素611和距离测量像素614可按照阵列形式排列。在图19中， 多个(例如3个)颜色像素图案611可对应于一个距离测量像素图案614来 安排，但是不限于此。
在图19中，尽管颜色像素图案611被图示为包括红像素R、绿像素G、 和蓝像素B,但是示例实施例不限于此。例如，颜色像素图案611可包括红
19像素R、绿像素G、蓝像素B、品红像素Mg、青像素Cy、黄像素Y、和白 像素W中的至少2个像素。
距离测量像素图案614可包括可与颜色像素图案611具有基本相同的尺 寸的一个距离测量像素Z。 一般来说，考虑到低红外光灵敏度，距离测量像 素Z可比颜色像素具有更大尺寸。
图20是沿着图19的线XX-XX的横断面视图。参考图20，颜色像素图 案611和距离测量像素图案614可排列在例如p类型硅衬底的衬底620上。 显微镜头630和650可分别排列在颜色像素图案611和距离测量像素图案614 中。显微镜头630和650可具有基本相同的尺寸。
图20中图示了颜色像素图案611的绿像素G和蓝像素B，并且图20中 没有示出颜色像素611的其他绿像素G和红像素R的结构。其他绿像素G和 红像素R的结构可与绿像素G和蓝像素B的结构基本相同，并省略其细节。
两个绿滤镜631、 一个红滤镜(未示出)、和一个蓝滤镜641可安排在显 微镜头630下面，并且光电变换器件可安排在对应滤镜下面。
一个距离测量滤镜651可安排在显微镜头650下面，并且光电变换器件 652可安排在距离测量滤镜651下面。
光电变换器件632、 642和652可具有距衬底620的表面的基本相同的深 度。另外，显微镜头630和650可具有基本相同的尺寸。
因此，可容易地制造当前实施例的三维图像传感器600,因为光电变换 器件可在距衬底620的相同深度处形成，并且可具有相同尺寸的显微镜头可 通过使用传统半导体工艺经由蚀刻而形成。
在已由此描述了示例实施例的情况下，显而易见的是，可按照许多方式 对示例实施例进行修改。这样的修改不应被看作脱离示例实施例的预期精神 和范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的所有这样的修改意欲包括 在所附权利要求的范围之中。
权利要求
1.一种三维图像传感器的像素阵列，包括多个单元像素图案，每一单元像素图案包括按照阵列形式排列的一个或多个颜色像素以及距离测量像素，其中所述多个单元像素图案按照这样的方式排列，使得彼此相邻地安排距离测量像素组。
2. 根据权利要求1的像素阵列，其中所述彼此相邻安排的距离测量像素 组是四个距离测量像素，其中所述四个距离测量像素按照正方形形式排列。
3. 根据权利要求1的像素阵列，其中所述一个或多个颜色像素包括从包 括红像素、绿像素、蓝像素、品红像素、青像素、黄像素、和白像素的组中 选择的至少两个像素。
4. 根据权利要求1的像素阵列，其中所述一个或多个颜色像素中的每一 个和距离测量像素具有基本上相同的尺寸。
5. —种三维图像传感器的像素阵列，包括 第一颜色像素图案，包括N个相邻第一颜色像素； 第二颜色像素图案，包括N个相邻第二颜色像素； 第三颜色像素图案，包括N个相邻第三颜色像素；和 距离测量像素图案， 其中N是大于2的自然数。
6. 根据权利要求5的像素阵列，其中所述第一到第三颜色像素是从包括 红像素、绿像素、蓝像素、品红像素、青像素、黄像素、或白像素的组中选 择的。
7. 根据权利要求5的像素阵列，其中所述距离测量像素图案包括N个 相邻距离测量像素，其中所述第一到第三颜色像素和距离测量像素中的每一 个基本上具有相同的尺寸。
8. 根据权利要求5的像素阵列，其中该距离测量像素比所述第一到第三 颜色像素中的每一个具有大N倍的尺寸。
9. 一种三维图像传感器的像素阵列，包括 颜色像素图案，包括多个相邻颜色像素；和距离测量像素图案，具有和颜色像素图案基本相同的尺寸。
10. 根据权利要求9的像素阵列，其中该距离测量像素图案包括多个距离测量像素。
11. 根据权利要求9的像素阵列，其中该距离测量像素图案包括与颜色像素图案具有基本相同的尺寸的距离测量像素。
12. 根据权利要求9的像素阵列，其中所述颜色像素图案包括从包括红 像素、绿像素、蓝像素、品红像素、青像素、黄像素、和白像素的组中选择 的至少两个像素。
13. —种三维图像传感器，包括 根据权利要求1的像素阵列；和多个显微镜头，每一显微镜头与所述一个或多个颜色像素和距离测量像 素中的每一个对应地形成，其中所述多个显微镜头中的每一个具有基本相同的尺寸。
14. 根据权利要求13的三维图像传感器，其中所述彼此相邻安排的距离 测量像素组是四个距离测量像素，其中所述四个距离测量像素按照正方形形 式排列。
15. 根据权利要求13的三维图像传感器，其中所述一个或多个颜色像素 包括从包括红像素、绿像素、蓝像素、品红像素、青像素、黄像素、和白像 素的组中选择的至少两个像素。
16. 根据权利要求13的三维图像传感器，其中所述一个或多个颜色像素 中的每一个和距离测量像素具有基本相同的尺寸。
全文摘要
提供了一种三维图像传感器的像素阵列。该像素阵列包括多个单元像素图案，每一单元像素图案包括按照阵列形式排列的颜色像素以及距离测量像素。所述多个单元像素图案按照这样的方式排列，使得彼此相邻地安排距离测量像素组。
文档编号H04N5/335GK101651145SQ20091016572
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者张丞爀, 朴允童, 李承勋, 车大吉, 陈暎究 申请人:三星电子株式会社