高动态范围图像传感器及电子设备的制作方法

本技术属于图像传感领域，涉及一种高动态范围图像传感器及电子设备。

背景技术：

1、图像传感器被广泛用于如数码相机、蜂窝电话、监控摄像机、医疗、汽车及其它应用中，在日常生活中已变得无处不在。

2、图像传感器根据元件的不同，可分为ccd(电荷耦合元件)图像传感器和cmos(金属氧化物半导体元件)图像传感器两大类。随着cmos集成电路制造工艺特别是cmos图像传感器设计及制造工艺的不断发展，cmos图像传感器因其具有工业集成度更高、功率低等优点，已经逐渐取代ccd图像传感器成为主流。

3、现有标准图像传感器具有大致60db至70db的有限动态范围。然而，现实世界的亮度的动态范围要大得多。在一些应用中，cmos图像传感器需要拍摄动态范围较大的场景，在另外一些时候需要拍摄一些光源闪烁的照片或者视频，例如在拍摄具备交通信号灯的场景中的应用。因此cmos图像传感器中的至少一部分像素需要进行长时间的曝光以免疫某些光源的闪烁(lfm，led flicker mitigation)及其他高动态范围场景，同时，在此场景下，长时间曝光的像素不能过曝，从而需要图像传感器具有较大的动态范围。

4、因此，提供一种高动态范围图像传感器及电子设备，实属必要。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种高动态范围图像传感器及电子设备，用于解决现有技术中关于图像传感器的动态范围的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种高动态范围图像传感器，所述高动态范围图像传感器包括半导体衬底、第一光电转换元件、第二光电转换元件及光偏转结构，其中：

3、第一光电转换元件，所述第一光电转换元件位于所述半导体衬底中并呈阵列排布；

4、第二光电转换元件，所述第二光电转换元件位于所述半导体衬底中并呈阵列排布，且所述第二光电转换元件的灵敏度大于所述第一光电转换元件的灵敏度；

5、光偏转结构，所述光偏转结构包括沟槽及光偏转介质层，所述沟槽嵌入所述半导体衬底中且位于所述第一光电转换元件朝向入射光的一侧，所述光偏转介质层填充所述沟槽且所述光偏转介质层的折射率小于周围的所述半导体衬底，所述光偏转结构使得预进入所述第一光电转换元件中的部分光线进入所述第二光电转换元件中。

6、可选地，所述半导体衬底包括硅衬底或绝缘体上硅衬底，所述光偏转介质层包括氧化物介质层，所述氧化物介质层包括氧化硅介质层、氧化铝介质层、氧化钛介质层、氧化铪介质层中的一种或组合。

7、可选地，所述高动态范围图像传感器还包括覆盖所述半导体衬底的钝化层，且所述光偏转介质层为所述钝化层的一部分。

8、可选地，所述沟槽的截面形状包括v形及矩形中的一种或组合；和/或，所述沟槽的俯视图的形状包括田字形、十字型及矩形中的一种或组合；和/或，所述沟槽的数量为至少一个。

9、可选地，所述第一光电转换元件朝向入射光的一侧还设置有减透层。

10、可选地，所述第一光电转换元件的面积小于所述第二光电转换元件的面积；和/或，所述第一光电转换元件的尺寸小于1μm×1μm；所述第二光电转换元件的尺寸介于1μm×1μm～3μm×3μm之间。

11、可选地，每个所述第二光电转换元件周围设置有四个所述第一光电转换元件，且其中一个所述第一光电转换元件与所述第二光电转换元件具有相同颜色的滤色器。

12、可选地，每个所述第一光电转换元件周围设置有四个所述第二光电转换元件，且所述第一光电转换元件与周围的四个所述第二光电转换元件具有相同颜色的滤色器。

13、可选地，所述第一光电转换元件与周围的四个所述第二光电转换元件构成一个重复像素结构，所述高动态范围图像传感器中的各所述重复像素结构构成rggb基拜耳阵列。

14、可选地，在所述第二光电转换元件之间未设置所述第一光电转换元件的中心位置还设置有虚拟透镜。

15、可选地，所述第一光电转换元件及所述第二光电转换元件之间设置有隔离结构，所述隔离结构包括沟槽隔离结构及掺杂隔离结构中的一种或组合。

16、可选地，所述第一光电转换元件与其周围的至少一个所述第二光电转换元件构成一个像素单元，所述像素单元对应一种颜色的滤色器，其中，所述像素单元内的光电转换元件之间采用所述掺杂隔离结构，相邻所述像素单元的光电转换元件之间的隔离采用所述沟槽隔离结构或者所述沟槽隔离结构与所述掺杂隔离结构的组合。

17、本实用新型还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述任一的高动态范围图像传感器。

18、如上所述，本实用新型的高动态范围图像传感器及电子设备，在半导体衬底中形成具有不同灵敏度的第一光电转换元件及第二光电转换元件，并在灵敏度较小的第一光电转换元件朝向入射光的一侧形成包括光偏转介质层的光偏转结构，由于光偏转介质层的折射率小于周围的半导体衬底，从而光偏转结构使得预进入第一光电转换元件中的部分光线进入第二光电转换元件中。本实用新型通过光偏转结构可以改变光线的光路，使预进入第一光电转换元件的光线的横向传播分量增益，使得预进入第一光电转换元件的光线可以进入第二光电转换元件，从而可以进一步降低第一光电转换元件对光的吸收，以更大程度上避免过曝，从而更容易实现图像传感器的高动态范围。

技术特征：

1.一种高动态范围图像传感器，其特征在于，所述高动态范围图像传感器包括半导体衬底、第一光电转换元件、第二光电转换元件及光偏转结构，其中：

2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述半导体衬底包括硅衬底，所述光偏转介质层包括氧化物介质层，所述氧化物介质层包括氧化硅介质层、氧化铝介质层、氧化钛介质层、氧化铪介质层中的一种或组合。

3.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述高动态范围图像传感器还包括覆盖所述半导体衬底的钝化层，且所述光偏转介质层为所述钝化层的一部分。

4.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述沟槽的截面形状包括v形及矩形中的一种或组合；和/或，所述沟槽的俯视图的形状包括田字形、十字型及矩形中的一种或组合；和/或，所述沟槽的数量为至少一个。

5.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述第一光电转换元件朝向入射光的一侧还设置有减透层。

6.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述第一光电转换元件的面积小于所述第二光电转换元件的面积；和/或，所述第一光电转换元件的尺寸小于1μm×1μm；所述第二光电转换元件的尺寸介于1μm×1μm～3μm×3μm之间。

7.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：每个所述第二光电转换元件周围设置有四个所述第一光电转换元件，且其中一个所述第一光电转换元件与所述第二光电转换元件具有相同颜色的滤色器。

8.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：每个所述第一光电转换元件周围设置有四个所述第二光电转换元件，且所述第一光电转换元件与周围的四个所述第二光电转换元件具有相同颜色的滤色器。

9.根据权利要求8所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述第一光电转换元件与周围的四个所述第二光电转换元件构成一个重复像素结构，所述高动态范围图像传感器中的各所述重复像素结构构成rggb基拜耳阵列。

10.根据权利要求8所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：在所述第二光电转换元件之间未设置所述第一光电转换元件的中心位置还设置有虚拟透镜。

11.根据权利要求1-10中任意一项所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述第一光电转换元件及所述第二光电转换元件之间设置有隔离结构，所述隔离结构包括沟槽隔离结构及掺杂隔离结构中的一种，或所述隔离结构包括沟槽隔离结构及掺杂隔离结构，且所述沟槽隔离结构位于所述掺杂隔离结构中。

12.根据权利要求11所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述第一光电转换元件与其周围的至少一个所述第二光电转换元件构成一个像素单元，所述像素单元对应一种颜色的滤色器，其中，所述像素单元内的光电转换元件之间采用所述掺杂隔离结构，相邻所述像素单元的光电转换元件之间的隔离采用所述沟槽隔离结构或者采用包括所述沟槽隔离结构及所述掺杂隔离结构且所述沟槽隔离结构位于所述掺杂隔离结构中。

13.一种电子设备，其特征在于：所述电子设备包括如权利要求1-12中任意一项所述的高动态范围图像传感器。

技术总结
本技术提供一种高动态范围图像传感器及电子设备，在半导体衬底中形成具有不同灵敏度的第一光电转换元件及第二光电转换元件，并在第一光电转换元件朝向入射光的一侧形成包括光偏转介质层的光偏转结构，由于光偏转介质层的折射率小于周围的半导体衬底，从而光偏转结构使得预进入第一光电转换元件中的部分光线进入第二光电转换元件中。本技术通过光偏转结构使预进入第一光电转换元件的光线的横向传播分量增益，使得预进入第一光电转换元件的光线可以进入第二光电转换元件，从而可以进一步降低第一光电转换元件对光的吸收，以更大程度上避免过曝，从而更容易实现图像传感器的高动态范围。

技术研发人员：胡泽望,张盛鑫
受保护的技术使用者：思特威（上海）电子科技股份有限公司
技术研发日：20220831
技术公布日：2024/1/11