一种像素结构、图像传感器及终端的制作方法

文档序号:19183666发布日期:2019-11-20 01:16阅读:159来源:国知局
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:

随着像素变得越来越小,像素之间抗干扰能力减弱,产生错误的颜色识别,这种现象被称为串扰(crosstalk),光电转换单元会将光信号转化成为电荷,而这些电荷可能会到相邻的像素中,影响相邻像素的色彩识别,降低图像传感器整体的成像质量。



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,能够使图像传感器满足小尺寸高像素的要求。

本申请的技术方案是这样实现的:

第一方面,像素结构包括:两个子像素结构,子像素结构包括:滤光片、至少一个光电转换单元和读出电路;

滤光片位于至少一个光电转换单元的感光区域与子像素结构的进光口之间,用于对进光口的入射光线进行过滤,得到能被至少一个光电转换单元吸收的特定波长的光信号;

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;像素结构中不同子像素结构的光电转换单元的感光区域尺寸至少部分不同;

读出电路与至少一个光电转换单元相连,用于读出至少一个光电转换单元的电信号。

第二方面,提供了一种图像传感器,所述图像传感器包括上述任一种所述的像素结构。

第三方面,提供了一种终端,所述终端包括上述图像传感器。

采用上述技术方案,像素结构包含2个子像素结构,通过调整子像素结构中光电转换单元的感光区域尺寸保证光电转换单元具有较高的量子效率,满足了图像传感器的小尺寸高像素的要求,而且不同子像素结构的光电转换单元的感光区域尺寸至少部分不同,使不同子像素结构吸收不同波长的光信号,从而降低像素之间的串扰。

附图说明

图1为本申请实施例中子像素结构的组成结构示意图;

图2为本申请实施例中像素结构的第一组成结构示意图;

图3为包含本申请实施例中像素结构的图像传感器的第一局部示意图;

图4a为图2中第一类子像素结构的纵向剖面示意图;

图4b为图2中第二类子像素结构的纵向剖面示意图;

图5为本申请实施例中像素结构的第二组成结构示意图;

图6为包含本申请实施例中像素结构的图像传感器的第二局部示意图;

图7为本申请实施例中像素结构的第三组成结构示意图;

图8为本申请实施例中像素结构的电路结构示意图;

图9为本申请实施例中图像传感器的组成结构示意图;

图10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。

为了保证图像传感器中光电转换单元的量子效率,本申请实施例提供了一种图像传感器中的像素结构。如图1所示,像素结构包括:两个子像素结构10,所述子像素结构包括:滤光片101、至少一个光电转换单元102和读出电路103;

所述滤光片101位于所述至少一个光电转换单元102的感光区域与所述子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;

所述光电转换单元102,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;所述像素结构中不同子像素结构的光电转换单元的感光区域尺寸至少部分不同;

所述读出电路103与所述至少一个光电转换单元102相连,用于读出所述至少一个光电转换单元的电信号。

入射光穿过进光口进入到子像素结构内部,经过滤光片101后被至少一个光电转换单元102吸收后转化为电信号,读出电路103读出光电转换单元102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。

其中,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,当子像素结构中呈正方形的进光口的边长小于特定波长时,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,能够进一步提高子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,所述光电转换单元的感光区域为圆柱的其中一个圆形底面。

也就是说,在制作图像传感器时,不仅需要在子像素结构中不同光电转换单元之间留有间隔,也需要在相邻子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,所述像素结构包括:第一类子像素结构和第二类子像素结构;其中,所述第一类子像素结构的至少一个光电转换单元的感光区域尺寸相同,所述第二类子像素结构的至少一个光电转换单元中至少部分光电转换单元的感光区域尺寸不同。这里,子像素结构内相同感光区域尺寸的光电转换单元吸收相同颜色光,不同感光区域尺寸的光电转换单元吸收不同颜色光。

也就是说,2个子像素结构分别吸收不同波长的光信号,当两种波长的光信号不存在交叠时,这两个相邻子像素结构的串扰便会很低。

具体的,所述第一类子像素结构包括第一类光电转换单元;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时,用于吸收第一种特定波长的光信号;所述第二类子像素结构包括第二类光电转换单元和第三类光电转换单元;其中,所述第二类光电而极端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;所述第三类光电而极端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。

在一些实施例中,所述第一种特定波长的光信号为绿光,所述第二种特定波长的光信号为蓝光,所述三种特定波长的光信号为红光;所述第二尺寸小于所述第一尺寸,所述第一尺寸小于所述第三尺寸。

实际应用中,光电转换单元可以为光电二极管(photo-diode,pd),pd为圆柱体,感光区域尺寸可以为感光区域直径,比如,吸收蓝光的光电转换单元感光区域直径(即第一尺寸)为60nm,吸收绿光的光电转换单元感光区域直径(即第二尺寸)为90nm,吸收红光的光电转换单元感光区域直径(即第三尺寸)为120nm。

相应的,上述特定波长的光包括以下任意一项:红光,绿光,蓝光。

在一些实施例中,所述第一类子像素结构中第一类光电转换单元等间距阵列分布;所述第二类子像素结构中第二类光电转换单元等间距阵列分布,第三类光电转换单元等间距阵列分布。

具体的,所述第二类子像素结构中所述第二类光电转换单元等间距阵列分布在第一区域,所述第三类光电转换单元等间距阵列分布在第二区域;其中,所述第一区域和所述第二区域不重合。

图2为本申请实施例中像素结构的第一组成结构示意图,像素结构包括第一类子像素结构和第二类子像素结构,第一类子像素结构中包括4个吸收绿光的圆柱形光电转换单元,4个吸收绿光光电转换单元以2x2矩阵形式等间距分布,第二类子像素结构中包括2个吸收蓝光的圆柱形光电转换单元和2个吸收红光的圆柱形光电转换单元,2个吸收蓝光的光电转换单元位于子像素结构的左半部分(即第一区域),以2x1矩阵形式分布,2个吸收红光的光电转换单元位于子像素结构的右半部分(即第二区域),以2x1矩阵形式分布。其中,吸收红光的光电转换单元感光区域直径为120nm,吸收绿光的光电转换单元感光区域直径为90nm,吸收蓝光的光电转换单元感光区域直径为60nm。

图3为包含本申请实施例中像素结构的图像传感器的第一局部示意图;如图3所示,使用本申请实施例中图2所示的像素结构组成图像传感器时,相同子像素结构间隔分布,边缘不相邻。

图4a为图2中第一类子像素结构的纵向剖面示意图,如图4a所示,沿图2中a-a截面将像素结构剖开,得到第一类子像素结构的纵向剖面示意图,第一类子像素结构包括位于进光口的下方的滤光片401a,滤光片401a只允许绿光通过,位于滤光片401a下方的4个吸收绿光的光电转换单元402a(图4a中只显示了2吸收绿光的光电转换单元402a的剖切面),以及与4个光电转换单元402a相连的金属排线403a,这里,金属排线即为读出电路,用于读取4个光电转换单元的电信号。

图4b为图2中第二类子像素结构的纵向剖面示意图,如图4b所示,沿图2中a-a截面将像素结构剖开,得到第二类子像素结构的纵向剖面示意图,第二类子像素结构包括位于进光口的下方的滤光片401b,滤光片401b允许红光和蓝光通过不允许绿光通过,位于滤光片401b下方的2个吸收蓝光的光电转换单元402b和2个吸收红光的光电转换单元402c(图4b中只显示了1个蓝光的光电转换单元402b和1个吸收红光的光电转换单元402c的剖切面),以及与4个光电转换单元相连的金属排线403b,这里,金属排线即为读出电路,用于读取4个光电转换单元的电信号。

在一些实施例中,所述第二类子像素结构中所述第二类光电转换单元等间距阵列分布,所述第三类光电转换单元均匀分布在所述第二类光电转换单元之间。

图5为本申请实施例中像素结构的第二组成结构示意图,像素结构包括第一类子像素结构和第二类子像素结构,第一类子像素结构中包括16个吸收绿光的圆柱形光电转换单元,16个吸收绿光光电转换单元以4x4矩阵形式等间距分布,第二类子像素结构中包括9个吸收蓝光的圆柱形光电转换单元和16个吸收红光的圆柱形光电转换单元,16个吸收红光的光电转换单元以4x4矩阵形式等间距分布,9个吸收蓝光的光电转换单元均匀分布在吸收红光的光电转换单元之间,每一个吸收蓝光的光电转换单元周围分布4个吸收红光的光电转换单元。其中,吸收红光的光电转换单元感光区域直径为120nm,吸收绿光的光电转换单元感光区域直径为90nm,吸收蓝光的光电转换单元感光区域直径为60nm。

图6为包含本申请实施例中像素结构的图像传感器的第二局部示意图;如图6所示,使用本申请实施例中的图5所示的像素结构组成图像传感器时,相同子像素结构间隔分布,边缘不相邻。

图7为本申请实施例中像素结构的第三组成结构示意图,像素结构包括第一类子像素结构和第二类子像素结构,光电转换单元为底面为正方体的棱柱,第一类子像素结构和第二类子像素结构位置也可互换。第一类子像素结构中包括4个吸收绿光的棱柱形光电转换单元,4个吸收绿光光电转换单元以2x2矩阵形式等间距分布,第二类子像素结构中包括2个吸收蓝光的棱柱形光电转换单元和2个吸收红光的棱柱形光电转换单元,2个吸收蓝光的光电转换单元位于子像素结构的左半部分(即第一区域),以2x1矩阵形式分布,2个吸收红光的光电转换单元位于子像素结构的右半部分(即第二区域),以2x1矩阵形式分布。其中,吸收红光的光电转换单元感光区域边长为120nm,吸收绿光的光电转换单元感光区域边长为90nm,吸收蓝光的光电转换单元感光区域边长为60nm。

本申请实施例中,通过将绿光通道和红光通道、蓝光通道分开,降低绿光通道与红光通道、蓝光通道吸收光谱的交叠,提高亚波长像素的信噪比。

本申请实施例出了图2、图5和图7中示出的像素结构的组合方式之外,还可以包括其他像素结构的组成方式这里不再一一列举。

采用上述技术方案,像素结构包含2个子像素结构,通过调整子像素结构中光电转换单元的感光区域尺寸保证光电转换单元具有较高的量子效率,满足了图像传感器的小尺寸高像素的要求,而且不同子像素结构的光电转换单元的感光区域尺寸至少部分不同,使不同子像素结构吸收不同波长的光信号,从而降低像素之间的串扰。

图8为本申请实施例中像素结构的电路结构示意图,读出电路包括传输门(transfergate,tg),浮置扩散点(floatingdiffusion,fd)、源极跟随晶体管(source-followertransistor,sf),行选择晶体管(rowselecttransistor,rst)读出电路的工作流程包括: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,激活传输门(transmissiongate,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。

采用上述技术方案,像素结构包含4个子像素结构,每一个子像素结构中包含至少一个光电转换单元,通过调整光电转换单元的感光区域尺寸保证光电转换单元具有较高的量子效率,满足了图像传感器的小尺寸高像素的要求。通过调整光电转换单元的数量和排列结构,进一步提高子像素结构对特定波长光信号的吸收效率。如此,解决了像素结构尺寸太小导致的光电转换单元量子效率过低的问题。

图9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9所示,图像传感器90包括上述一个或多个实施例给出的像素结构901,多个像素结构按照特定的排列方式组成像素整列。

具体的,所述子像素结构包括:滤光片、至少一个光电转换单元和读出电路;

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子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;

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;所述像素结构中不同子像素结构的光电转换单元的感光区域尺寸至少部分不同;

所述读出电路与所述至少一个光电转换单元相连,用于读出所述至少一个光电转换单元的电信号。

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,所述像素结构包括:第一类子像素结构和第二类子像素结构;其中,所述第一类子像素结构的至少一个光电转换单元的感光区域尺寸相同,所述第二类子像素结构的至少一个光电转换单元中至少部分光电转换单元的感光区域尺寸不同。

在一些实施例中,所述第一类子像素结构包括第一类光电转换单元;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时,用于吸收第一种特定波长的光信号;所述第二类子像素结构包括第二类光电转换单元和第三类光电转换单元;其中,所述第二类光电而极端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;所述第三类光电而极端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。

在一些实施例中,所述第一类子像素结构中第一类光电转换单元等间距阵列分布;所述第二类子像素结构中第二类光电转换单元等间距阵列分布,第三类光电转换单元等间距阵列分布。

在一些实施例中,所述第二类子像素结构中所述第二类光电转换单元等间距阵列分布,所述第三类光电转换单元均匀分布在所述第二类光电转换单元之间;或者,所述第二类子像素结构中所述第二类光电转换单元等间距阵列分布在第一区域,所述第三类光电转换单元等间距阵列分布在第二区域;其中,所述第一区域和所述第二区域不重合。

在一些实施例中,所述第一种特定波长的光信号为绿光,所述第二种特定波长的光信号为蓝光,所述三种特定波长的光信号为红光;所述第二尺寸小于所述第一尺寸,所述第一尺寸小于所述第三尺寸。

在一些实施例中,所述光电转换单元形状为圆柱;其中,所述光电转换单元的感光区域为圆柱的其中一个圆形底面。

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,像素结构包含2个子像素结构,通过调整子像素结构中光电转换单元的感光区域尺寸保证光电转换单元具有较高的量子效率,满足了图像传感器的小尺寸高像素的要求,而且不同子像素结构的光电转换单元的感光区域尺寸至少部分不同,使不同子像素结构吸收不同波长的光信号,从而降低像素之间的串扰。

图10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10所示,终端100包括上述实施例所述的图像传感器1001。

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。

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