一种像素结构、图像传感器及终端的制作方法

本申请涉及图像技术，尤其涉及一种像素结构、图像传感器及终端。

背景技术：

互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)图像传感器因其制造成本低和功耗低而广泛应用于摄影摄像的产品中，针对cmos图像传感器来说，较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸已经成为cmos图像传感器的发展趋势。

cmos传输门(transmissiongate，tg)是一种既可以传送数字信号又可以传输模拟信号的可控开关电路。cmos传输门由一个pmos和一个nmos管并联构成，其具有很低的导通电阻(几百欧)和很高的截止电阻(大于10^9欧)。

像素结构中的感光元件光电二极管(photo-diode，pd)的电容能够积累的最大电荷量称为满阱容量，现有的像素结构中tg的电极需要占用pd的空间位置，使得pd的满阱容量受到限制，从而限制了像素的感光范围。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请实施例期望提供一种像素结构、图像传感器及终端。

本申请的技术方案是这样实现的：

第一方面，提供了一种像素结构，像素结构包括：至少一个光电转换单元、至少一个传输晶体管和读出电路；

传输晶体管的源级连接到光电转换单元，传输晶体管的漏极连接到读出电路，传输晶体管的栅极用于接收传输控制信号；漏极和栅极位于像素结构的第一截面，源级位于像素结构的第二截面，第一截面和第二截面平行于像素结构的进光口；

光电转换单元，用于吸收特定波长的光信号，将吸收到的光信号转换为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电转换单元所能吸收的特定波长的光信号不同；其中，至少一个光电转换单元的总感光区域面积大于面积阈值，其中，面积阈值根据进光口的横截面积确定；

传输晶体管，用于将光电转换单元的电信号传输至读出电路；

读出电路，用于对光电转换单元的电信号进行读出操作。

第二方面，提供了一种图像传感器，图像传感器包括上述任一种的像素结构。

第三方面，提供了一种终端，终端包括上述图像传感器。

采用上述技术方案，像素结构中包含了一种新的传输晶体管结构，这种传输晶体管将漏极和栅极设置的第一截面上，将源级设置在第二截面上，这样漏极和栅极不会占用光电转换单元沿截面方向的空间，光电转换单元沿截面方向的尺寸可以最大程度的接近像素结构的横截面尺寸，扩大了光电转换单元的体积，从而获得了更大的满阱容量。

附图说明

图1为传统像素结构中电路结构示意图；

图2为本申请实施例中像素结构的组成结构示意图；

图3为本申请实施例中像素结构中电路结构示意图；

图4a为传统像素结构的a-a剖面图；

图4b为本申请实施例中像素结构的a-a剖面图；

图4c为本申请实施例中像素结构的b-b剖面图；

图5中示出了像素结构的第一俯视图；

图6中示出了像素结构的第二俯视图；

图7为本申请实施例中图像传感器的组成结构示意图；

图8为本申请实施例中终端的组成结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

在实际应用中，像素结构作为图像传感器的重要组成部分，能够完成对接收到的自然光进行光电转换，从而得到电信号，然而，像素结构的像素尺寸大约为600nm左右时，光电转换单元拥有较高量子效率，随着像素结构的尺寸减小，使光电转换单元的感光区域面积也随之减小从而使光电转换单元的量子效率降低，影响图像传感器的成像效果。

这里，量子效率是衡量某个颜色通道某个频率/波长的光子转换成电子的效率，传统的像素结构，随着像素尺寸的不断缩减，光电转换单元的感光区域面积也随着减小，使得光电转换单元的电荷收集势阱中可容纳的最大信号电荷量即满阱容量(简称，阱容量)受到抑制，阱容量受到抑制使得小尺寸像素的动态范围、信噪比和灵敏度等指标恶化，而这些指标都将直接影响小尺寸像素的成像质量。

图1为传统像素结构的电路图，读出电路包括传输门(transfergate，tg)、源极跟随晶体管(source-followertransistor，sf)，行选择晶体管(rowselecttransistor，rs)和选择晶体管(selecttransistor，sel)，传输门(transfergate，tg)是一种传输晶体管，tg的源级连接到pd，tg的漏极连接到浮置扩散点(floatingdiffusion，fd)，tg的栅极用于接收传输控制信号。传统的像素结构的工作流程包括：1、曝光；光照射pn结产生的电子-空穴对会因pn结内电场的存在而分开，电子移向n区，空穴移向p区的能量聚集区域；2、复位；给pn结加载反向电压，或者说激活rst给pn结进行复位，将读出区(n+区)复位到高电平；3、复位电平读出；复位完成后，读出复位电平，将读出的信号存储在第一个电容中；4、电荷转移，激活tg，将电荷从n区完全转移到n+区用于读出；5、n+区的信号电平读出。

从图1中可以看出浮置扩散点fd连接n+区(tg的漏极连接区域)，n+区占用了n区(即tg的源级连接区域)的横向尺寸，从而限制了满阱容量。

为了提高光电转换单元的满阱容量，本申请实施例提供了一种图像传感器中的像素结构。如图2所示，像素结构包括：所述像素结构包括：至少一个光电转换单元201、至少一个传输晶体管202和读出电路203；

所述传输晶体管202的源级连接到所述光电转换单元201，所述传输晶体管202的漏极连接到所述读出电路203，所述传输晶体管202的栅极用于接收传输控制信号；所述漏极和所述栅极位于所述像素结构的第一截面，所述源级位于所述像素结构的第二截面，所述第一截面和所述第二截面平行于所述像素结构的进光口；

所述光电转换单元201，用于吸收所述特定波长的光信号，将吸收到的光信号转换为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电转换单元所能吸收的特定波长的光信号不同；所述至少一个光电转换单元的总感光区域面积大于面积阈值，所述面积阈值根据所述进光口的横截面积确定；用于吸收所述特定波长的光信号，将吸收到的光信号转换为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电转换单元所能吸收的特定波长的光信号不同；其中，所述至少一个光电转换单元的总感光区域面积大于面积阈值，其中，所述面积阈值为所述进光口的横截面积乘以预设系数；

所述传输晶体管202，用于将所述光电转换单元201的电信号传输至所述读出电路203；

所述读出电路203，用于对所述光电转换单元的电信号进行读出操作。

入射光穿过进光口进入到像素结构内部，被至少一个光电转换单元吸收后转化为电信号，传输晶体管电信号传输至所述读出电路，读出电路读出光电转换单元的电信号用于颜色感知。实际应用中，一个像素结构对应一个读出电路，用于读出至少一个光电转换单元的电信号，或者一个光电转换单元对应一个读出电路；这里，读出电路的输入端为浮置扩散点，即传输晶体管的漏极连接读出电路的输入端。

本申请实施例中，第一截面与第二截面位置不同，所述第二截面位于所述第一截面和所述进光口之间。

实际应用中，光电转换单元可以为光电二极管(photo-diode，pd)。

图3为本申请实施例中像素结构的电路图，读出电路包括四个晶体管tg、sf、rs和sel，tg的源级连接到pd，tg的漏极连接到fd，tg的栅极用于接收传输控制信号。本申请像素结构的工作流程与传统的像素结构的工作流程相同。只是将tg的漏极和栅极设置在同一截面上，将源级向下移动，使tg的漏极和栅极不会占用光电二极管沿截面方向的空间，扩大了用于收集光电转换成的电荷的n区的体积，从而获得了更大的满阱容量。

实际应用中，所述tg的栅极为垂直放置，tg垂直放置的栅极与漏极处于同一截面，缩小对像素结构内部空间的占用。

图4a为传统像素结构的a-a剖面图，沿图1中a-a截面将像素结构剖开，得到传统像素结构沿a-a截面的剖面图，图中pd对应tg的源级，fd对应tg的漏极，源级和漏极共同占用像素结构的横向空间，限制了pd的横向尺寸，从而限制了pd的满阱容量。

图4b为本申请实施例中像素结构的a-a剖面图，沿图3中a-a截面将像素结构剖开，得到本申请实施例中像素结构沿a-a截面的剖面图，fd对应tg的漏极，tg对应tg的栅极，本申请实施例中改变tg三个电极的位置排列关系，使源级和漏极共同占用像素结构的横向空间，即fd和tg位于pd远离进光口的一侧。

图4c为本申请实施例中像素结构的b-b剖面图，沿图4中b-b截面将像素结构剖开，得到本申请实施例中像素结构沿b-b截面的剖面图，pd对应tg的源级，可见pd在像素结构的横向空间位置不受tg漏极位置限定，当像素结构包含一个pd时，pd的感光区域面积几乎可以做到与像素结构横截面积同样大小；当像素结构包含至少两个pd时，pd的总感光区域面积也几乎可以做到与像素结构横截面积同样大小，这样可以最大程度的增大pd的感光区域面积，提升pd体积，从而获得更大的满阱容量，优化亚波长彩色cis像素的动态范围、信噪比和灵敏度等指标。

本申请实施例中，所述光电转换单元具体用于根据感光区域的共振波长吸收一种特定波长的光信号；其中，所述共振波长为所述光电转换单元的感光区域发生共振吸收时的波长；不同尺寸的感光区域对应不同的共振波长。

这里，当像素结构中呈正方形的进光口的边长小于特定波长，即感光区域尺寸小于特征波长时，为了防止特定波长被衍射掉，本申请实施例利用光电转换单元的感光区域的共振吸收特性，使得光电转换单元根据其感光区域的共振波长对特定波长进行吸收。

实际应用中，光电转换单元的感光区域可以为光电转换单元的上表面，光电转换单元的共振波长与光电转换单元的感光区域的折射率和尺寸有关，所以，可以通过调整感光区域的折射率，和/或，感光区域的尺寸，来调整光电转换单元的共振波长。

本申请实施例中，通过调整光电转换单元的感光区域尺寸来调整共振波长，以使得特定波长在光电转换单元的感光区域的共振波长范围之内，这样，得到的较小尺寸光电转换单元能够对特定波长的光信号实现共振吸收，使得其在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。通过增加光电转换单元的数量并设置光电转换单元的排列方式，能够进一步提高像素结构对特定波长光信号的吸收率。

实际应用中，在像素结构尺寸小于特定波长时，只需要调整光电转换单元的感光区域的尺寸，便可以得到不同的共振波长，使得特定波长的光通过共振吸收的方式被光电转换单元吸收，使得其在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。

为了使光电转换单元在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率，特定波长在共振波长的范围之内。由于光电转换单元的感光区域的共振波长与感光区域的形状有关，不同形状的感光区域的共振波长可以是一个波长范围，其中，可以是特定波长的一部分位于共振波长的范围之内，也可以是特定波长全部在共振波长的范围之内。

在一些实施例中，所述光电转换单元形状为柱体；其中，所述光电转换单元的感光区域为所述柱体的其中一个底面。比如，圆柱、棱柱。柱体的上表面为感光区域，感光区域可以为规则形状或不规则形状，比如，感光区域为圆形或正方形。至少一个光电转换单元的感光区域总面积小于进光口的横截面积，不同光电转换单元之间存在间隔空间。为了减小光电转换单元之间的耦合，所述光电转换单元形状为圆柱。

也就是说，在制作图像传感器时，不仅需要在像素结构中不同光电转换单元之间留有间隔，也需要在相邻像素结构中的光电转换单元之间留有间隔，由于光电转换单元发生共振吸收时会使得边缘场很强，增加间隔是为了防止相邻像素结构的光电转换单元之间光的相互串扰。所以，在工艺上光电转换单元采用感光区域面积小于进光口横截面积的柱形结构不仅可以实现对光的共振吸收，还可以更好的控制相邻两个光电转换单元的间隔。

在一些实施例中，所述像素还包括滤光片；所述滤光片位于所述至少一个光电转换单元的感光区域与所述像素结构的进光口之间，用于对入射光线进行过滤，得到能被所述至少一个光电转换单元吸收的特定波长的光信号。

实际应用中，上述滤光片可以是用于过滤红光的红色滤光片，用于过滤绿光的绿色滤光片，用于过滤蓝光的蓝色滤光片，用于过滤黄光的黄色滤光片，滤光片可以根据实际应用需求灵活选择本申请实施例不作具体限定。

在一些实施例中，所述至少一个光电转换单元的感光区域尺寸相同或者不同。

具体的，所述至少一个光电转换单元包括以下至少一类：第一类光电转换单元、第二类光电转换单元和第三类光电转换单元；其中，所述第一类光电转换单元的感光区域尺寸为第一尺寸，用于吸收第一种特定波长的光信号；所述第二类光电转换单元的感光区域尺寸为第二尺寸，用于吸收第二种特定波长的光信号；所述第三类光电转换单元的感光区域尺寸为第三尺寸，用于吸收第三种特定波长的光信号。

在一些实施例中，所述第一类像素结构中的至少一个光电转换单元的感光区域尺寸为第一尺寸时，用于吸收第一种特定波长的光信号；所述第一类像素结构中的至少一个光电转换单元的感光区域尺寸为第二尺寸时，用于吸收第二种特定波长的光信号；所述第一类像素结构中的至少一个光电转换单元的感光区域尺寸为第三尺寸时，用于吸收第三种特定波长的光信号；其中，所述第一种特定波长的光信号为蓝光，所述第二种特定波长的光信号为绿光，所述第三种特定波长的光信号为红光，所述第一尺寸小于所述第二尺寸，所述第二尺寸小于第三尺寸。比如，pd为圆柱体，感光区域为圆形，吸收红光的光电二极管感光区域直径为120nm，吸收绿光的光电二极管感光区域直径为90nm，吸收蓝光的光电二极管感光区域直径为60nm。

图5中示出了像素结构的第一俯视图，像素中含有1个圆柱形pd501，通过圆柱形pd结构的光电二极管的共振吸收特性吸收不同特定波长的光，使得其在较小的感光区域下仍然拥有较高的量子效率。比如，蓝光对应pd的底面直径为60nm，绿光对应pd底面直径为90nm，红光对应pd底面直径为120nm。

图6中示出了像素结构的第二俯视图，像素中含有两种不同感光区域尺寸的圆柱形pd，具体包括：一个第一类光电二极管601，一个第二类光电二极管602，两个第三类光电二极管603，通过圆柱形pd结构的光电二极管的共振吸收特性分别吸收不同种特定波长的光，比如，第一类光电二极管吸收蓝光，蓝光对应pd的底面直径为60nm；第二类光电二极管吸收绿光，绿光对应pd底面直径为90nm，第三类光电二极管吸收红光，红光对应pd底面直径为120nm。利用亚波长像素彩色图像传感器的小尺寸特性可以极大减小摄像头模组中镜头镜筒的直径和镜头头部的大小，可以减少到具有相同像素的传统图像传感器(像素大小为800nm)所对应的模组的尺寸的1/4左右。用做前置时可以实现更高的屏占比，更接近与全面屏。

示例性的，像素结构中包括两类光电转换单元，比如，包括吸收绿光的第二类光电转换单元和吸收红光的第三类光电转换单元得到吸收黄光的像素结构，包括吸收蓝光的第一类光电转换单元和吸收红光的第三类光电转换单元得到吸收品红色光的像素结构，包括吸收绿光的第二类光电转换单元和吸收蓝光的第一类光电转换单元得到吸收品青色光的像素结构。

针对上述特定波长来说，特定波长的光包括以下任意一项：红光波长，绿光波长，蓝光波长。

实际应用中，所述至少一个光电转换单元的总感光区域面积大于面积阈值，所述面积阈值根据所述进光口的横截面积确定。具体的，所述面积阈值为所述进光口的横截面积乘以预设系数，预设系数的取值范围为0.5到1，比如，预设系数取0.8或0.9。

也就是说，当pd在像素结构的横向空间位置不受tg漏极位置限定时，至少一个pd的总感应区域面积几乎可以做到与像素结构横截面积同样大小，这样可以最大程度的增大pd的感光区域面积，提升pd体积，从而获得更大的满阱容量，优化亚波长彩色cis像素的动态范围、信噪比和灵敏度等指标。

采用上述技术方案，像素结构中包含了一种新的传输晶体管结构，这种传输晶体管将漏极和栅极设置的第一截面上，将源级设置在第二截面上，这样漏极和栅极不会占用光电转换单元沿截面方向的空间，光电转换单元沿截面方向的尺寸可以最大程度的接近像素结构的横截面尺寸，扩大了光电转换单元的体积，从而获得了更大的满阱容量。

图7为本申请实施例提供的一种可选的图像传感器的结构示意图，如图7所示，图像传感器70包括上述一个或多个实施例给出的像素结构701，多个像素结构按照特定的排列方式组成像素整列。

具体的，所述像素结构包括：至少一个光电转换单元、至少一个传输晶体管和读出电路；

所述传输晶体管的源级连接到所述光电转换单元，所述传输晶体管的漏极连接到所述读出电路，所述传输晶体管的栅极用于接收传输控制信号；所述漏极和所述栅极位于所述像素结构的第一截面，所述源级位于所述像素结构的第二截面，所述第一截面和所述第二截面平行于所述像素结构的进光口；

所述光电转换单元，用于吸收所述特定波长的光信号，将吸收到的光信号转换为电信号；其中，感光区域尺寸不同的光电转换单元所能吸收的特定波长的光信号不同；所述至少一个光电转换单元的总感光区域面积大于面积阈值，所述面积阈值根据所述进光口的横截面积确定；

所述传输晶体管，用于将所述光电转换单元的电信号传输至所述读出电路；

所述读出电路，用于对所述光电转换单元的电信号进行读出操作。

在一些实施例中，所述第二截面位于所述第一截面和所述进光口之间。

在一些实施例中，所述光电转换单元具体用于根据感光区域的共振波长吸收一种特定波长的光信号；其中，所述共振波长为所述光电转换单元的感光区域发生共振吸收时的波长；不同尺寸的感光区域对应不同的共振波长。

在一些实施例中，所述像素还包括滤光片；所述滤光片位于所述至少一个光电转换单元的感光区域与所述像素结构的进光口之间，用于对入射光线进行过滤，得到能被所述至少一个光电转换单元吸收的特定波长的光信号。

在一些实施例中，所述至少一个光电转换单元的感光区域尺寸相同或者不同。

在一些实施例中，所述至少一个光电转换单元包括以下至少一类：第一类光电转换单元、第二类光电转换单元和第三类光电转换单元；其中，所述第一类光电转换单元的感光区域尺寸为第一尺寸，用于吸收第一种特定波长的光信号；所述第二类光电转换单元的感光区域尺寸为第二尺寸，用于吸收第二种特定波长的光信号；所述第三类光电转换单元的感光区域尺寸为第三尺寸，用于吸收第三种特定波长的光信号。

在一些实施例中，所述第一种特定波长的光信号为蓝光，所述第二种特定波长的光信号为绿光，所述第三种特定波长的光信号为红光时，所述第一尺寸小于所述第二尺寸，所述第二尺寸小于第三尺寸。

在一些实施例中，所述光电转换单元形状为柱体；其中，所述光电转换单元的感光区域为所述柱体的其中一个底面。

本申请实施例中，像素结构亚波长超小尺寸像素结构，像素结构应用在亚波长互补金属氧化物半导体图像传感器(complementarymetaloxidesemiconductorimagesensor，cis)中。

采用上述技术方案，像素结构中包含了一种新的传输晶体管结构，这种传输晶体管将漏极和栅极设置的第一截面上，将源级设置在第二截面上，这样漏极和栅极不会占用光电转换单元沿截面方向的空间，光电转换单元沿截面方向的尺寸可以最大程度的接近像素结构的横截面尺寸，扩大了光电转换单元的体积，从而获得了更大的满阱容量。

图8为本申请实施例提供的一种可选的终端的结构示意图，如图8所示，终端80包括上述实施例所述的图像传感器801。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。