專利名稱：具有增強靈敏度和可兼容視頻接口的縱向顏色光檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種像素陣列技術(shù)。具體地說，本發(fā)明涉及包括增強顏色靈敏度及與傳統(tǒng)視頻裝置兼容的視頻接口的縱向光檢測器。
背景技術(shù)：
成像傳感器通常被用在諸如數(shù)碼相機的各種用途中。所述成像傳感器包括以陣列排列的若干像素傳感器。光從圖像反射回來并由所述成像傳感器所接收。成像傳感器提供信號輸出，所述輸出信號的幅值對應(yīng)于與陣列中每個像素傳感器相關(guān)的光強級。
傳統(tǒng)的顏色成像傳感器包括三個傳感器元件，它們被安排成所述成陣列中的一個單元。這樣，每個單元包括提供紅色信號的第一傳感器元件，提供綠色信號的第二傳感器元件，以及提供藍色信號的第三傳感器元件。每個傳感器元件都包括設(shè)置在所述器件表面上方的濾色器。例如，在第一傳感器元件上方放置紅色濾色器，在第二傳感器元件上方放置綠色濾色器，以及在第三傳感器元件上方放置藍色濾色器。所述濾色器屏蔽了其它顏色，使得從每傳感器元件得到的信號對應(yīng)于從所述成像傳感器上檢測到的顏色信號。

發(fā)明內(nèi)容
一種改進的縱向光檢測器單元相比于傳統(tǒng)的光檢測器單元具有增強的靈敏度。改進的縱向光檢測器單元被結(jié)構(gòu)成從相鄰的改進的縱向光檢測器單元之中收集光載流子，以增加與每種顏色相關(guān)的所述傳感器區(qū)域的有效面積。
根據(jù)本發(fā)明的一個例子，用于成像傳感器的像素單元包括第一和第二縱向光檢測器單元。所述第一縱向光檢測器單元被設(shè)置在所述成像傳感器的第一位置的附近。所述第二縱向光檢測器單元被設(shè)置在所述成像傳感器的第二位置附近。第二位置與第一位置相鄰。第一光檢測器區(qū)位于第一和第二縱向光檢測器單元中，并設(shè)置成檢測基本對應(yīng)第一顏色的光。第一光檢測器區(qū)在第一位置處具有一個幾何中心。第二光檢測器區(qū)位于第二縱向光檢測器單元中，并設(shè)置成檢測基本對應(yīng)第二顏色的光。第二光檢測器區(qū)在第二位置處具有一個幾何中心。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，第一顏色可以對應(yīng)于紅、綠和藍色之一，而第二顏色可以對應(yīng)于紅、綠和藍中的另一個。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一光檢測器區(qū)位于第一平面中，而第二光檢測器區(qū)位于不同于第一平面的第二平面中。第一平面是與第二光檢測器區(qū)不發(fā)生交叉的一個光檢測器區(qū)。根據(jù)一個例子，所述第一平面可以位于所述第二平面的上方，從而使得所述第一光檢測器區(qū)更加靠近所述成像傳感器的表面。第一光檢測器區(qū)可以被設(shè)置成經(jīng)由從所述第一光檢測器區(qū)延伸到所述成像傳感器的表面的一個電觸點來提供信號。根據(jù)另一個例子，所述第一平面位于所述第二平面的下方，從而使得所述第二光檢測器區(qū)更加靠近所述成像傳感器的表面。所述第一光檢測器區(qū)可以被設(shè)置成經(jīng)由從所述第一光檢測器區(qū)延伸到所述成像傳感器的表面并且與所述第二光檢測器區(qū)不接觸的電觸點來提供信號。
在本發(fā)明的另一個例子中，第三縱向光檢測器單元被放置在所述成像傳感器的第三位置處。所述第三位置與所述第一和第二位置相鄰。所述第三光檢測器區(qū)位于所述第三縱向光檢測器單元中。第三光檢測器區(qū)被設(shè)置成檢測基本對應(yīng)于第三顏色的光。所述第三光檢測器區(qū)在所述第三位置具有第三幾何中心。所述像素單元還可以包括第四光檢測器單元，其被設(shè)置在所述成像傳感器的第四位置處。所述第四位置與所述第一、第二和第三位置相鄰。所述第四光檢測器區(qū)位于第四縱向光檢測器單元中。第三光檢測器區(qū)被設(shè)置成檢測基本對應(yīng)于第三顏色的光。第四光檢測器區(qū)在第四位置處具有第四幾何中心。第一、第二、第三和第四縱向光檢測器單元被設(shè)置成一組，以定義一個傳感器單元。
還是在本發(fā)明的另一個例子中，所述成像傳感器被安排成一個像素單元的陣列。所述成像傳感器包括第一、第二、第三以及第四傳感器。第一傳感器對近似對應(yīng)于第一波長的光敏感。第一傳感器以陣列中的第一像素位置附近為中心。第二傳感器對近似對應(yīng)于第二波長的光敏感。第二傳感器以陣列中的第二像素位置附近為中心。第三傳感器對近似對應(yīng)于第三波長的光敏感。第三傳感器以陣列中的第三像素位置附近為中心。第四傳感器對近似對應(yīng)于第三波長的光敏感。第四傳感器以陣列中的第四像素位置附近為中心。傳感器材料和從所述第一、第二、第三和第四傳感器中選擇的一個相關(guān)。所述傳感器材料包括一個中心部分以及一個延伸部分。所述中心部分位于一個縱向光檢測器單元中。所述延伸部分位于與所述光檢測器單元相鄰的另一個縱向光檢測器單元中。所述中心部分被耦合到所述延伸部分，以便從相鄰的縱向光檢測器單元中收集光載流子，增加所選擇傳感器的靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述像素單元陣列具有包括第一、第二、第三和第四替換圖案的一組替換圖案。第一和第三傳感器的第一替換圖案從像素單元沿著第一方向延伸。第一和第四傳感器的第二替換圖案從像素單元沿著第二方向延伸。第二和第三傳感器的第三替換圖案從像素單元沿著第一方向延伸。第二和第四傳感器的第四替換圖案從像素單元沿著第二方向延伸。
還是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所選擇的一個傳感器以由所述傳感器材料的所述中心和延伸部分所定義的成形圖案來結(jié)構(gòu)。所述成形圖案是一個四邊形，其中心基本上位于陣列中的一個像素附近。所述成形圖案圍繞陣列中的一個像素以4 5度角取向。所述成形圖案能夠使得最后產(chǎn)生的傳感器具有用于與所述第一波長相關(guān)的顏色的近似100％的填充系數(shù)。所述成形圖案可以具有傳感器材料的延伸部分，其相對于傳感器材料的中心沿著正交的軸延伸。和所選擇的一個傳感器相關(guān)的傳感器材料基本具有三倍于與陣列中像素相關(guān)的面積的有效面積。
還是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一組傳感器可以草擬出一個中心區(qū)，其包括對近似對應(yīng)于第二波長的光敏感的第五傳感器。第五傳感器被設(shè)置用來漏出由在所述中心區(qū)上偶發(fā)的與第二波長相關(guān)的光引入的光載流子。
還是在另一個例子中，一個成像傳感器包括用于收集光載流子的第一、第二以及第三裝置。用于收集光載流子的第一裝置被設(shè)置成從第一縱向光檢測器單元中收集第一光載流子。第一光載流子對應(yīng)于第一顏色。用于收集光載流子的第二裝置被設(shè)置成從與第一縱向光檢測器單元相鄰的第二縱向光檢測器單元中收集第二光載流子。第二光載流子對應(yīng)于第二顏色。用于收集光載流子的第三裝置被設(shè)置成從第二縱向光檢測器單元中收集第一光載流子。用于耦合的裝置被結(jié)構(gòu)成將從用于收集光載流子的所述第二裝置收集的第一光載流子耦合到從用于收集光載流子的所述第一裝置收集的所述第一光載流子上，從而使得與來自所述縱向光檢測器單元和相鄰縱向光檢測器的第一顏色相關(guān)的光載流子被相互組合以增加對所述傳感器中第一顏色的靈敏度。
通過下面結(jié)合簡述的附圖詳細描述本發(fā)明的最佳實施例以及附加的權(quán)利要求，可以獲得本發(fā)明更加完整的理解和改進。
附圖簡述

圖1是范例性的縱向光檢測器的橫截面圖；圖2簡要示出了來自一個像素陣列的一個范例像素單元；圖3示出了一個改進的縱向光檢測器單元的橫截面圖；圖4示出了一個范例性像素傳感器圖案；圖5示出了一個具有增大面積的像素傳感器圖案；以及圖6示出了另一個根據(jù)本發(fā)明具有增大面積的范例性像素傳感器圖案。
具體實施例方式
在整個說明書中，以及在權(quán)利要求書中，術(shù)語“連接”的意思是在被連接物體之間不借助于任何中間設(shè)備的直接電連接。術(shù)語“耦合”的意思是在被連接物體之間的直接電連接或通過一個或多個無源或有源中間設(shè)備的間接連接。術(shù)語“電路”的意思是或者是單一元件，或者是多個元件，或者是有源或者是無源，它們被耦合在一起以提供所需功能。
傳統(tǒng)的數(shù)字視頻處理器(DVP)被設(shè)置成通過在不同的時間選擇性地讀取紅、綠和藍色信號之一來處理顏色輸出行。換言之，一次只處理與所述傳感器陣列中一個像素像素相關(guān)的顏色。根據(jù)本發(fā)明，改進的像素傳感器陣列包括一個與傳統(tǒng)VDP兼容的接口。所述經(jīng)過改進的像素傳感器陣列包括作為所述像素傳感器陣列中多個像素而被尋址的多個縱向光檢測器單元。每一光檢測器單元與傳統(tǒng)的光檢測器單元相比具有增強的靈敏度和填充系數(shù)。另外，如下面將要描述的，在每個光檢測器單元中都減少了有害的折疊失真影響(aliasing effects)。
本發(fā)明涉及一種在成像傳感器中使用的經(jīng)過改進的縱向光檢測器單元。與經(jīng)過改進的縱向光檢測器單元中給定顏色相關(guān)的傳感器材料被耦合到與在相鄰經(jīng)過改進的光檢測器單元中相同顏色相關(guān)的傳感器材料上從而使來自所述相鄰單元的光載流子被組合。被耦合的傳感器材料使得用于給定顏色的傳感器區(qū)尺寸增大。與所述傳感器中每個像素相關(guān)的所述增加的傳感器區(qū)使得對每種顏色都增加了靈敏度并提高了填充因數(shù)。在一個成像傳感器陣列中，縱向光檢測器單元被設(shè)置成使得每種顏色平面都被以一種圖案安排。一種圖案下的每個傳感器都具有一個中心部分以及一個延伸部分。所述中心部分和延伸部分的每一個都位于與所述陣列中一個像素相關(guān)的幾何中心附近。
圖1是本發(fā)明中所應(yīng)用的范例性縱向光檢測器的橫截面圖。所述縱向光檢測器單元包括區(qū)域120中的n-型材料以及區(qū)域130中的p-型材料。光敏二極管形成在n-型材料(120)以及p-型材料(120)的邊界處，如圖中的PD1-PD5所示。
在工作過程中，每個p-型材料區(qū)被耦合到電路地，而每個n-型材料區(qū)耦合到其它電路(190)。所述光檢測器在表面110的中心部分接收光(150)，而光屏蔽(140)被設(shè)置成遮住表面(110)的其它部分。每個光敏二極管對光敏感。與光相關(guān)的能量被硅材料吸收從而使在光敏二極管(PD1-PD5)中有一定數(shù)量的光電流流動，其數(shù)量與每個特定光敏二極管所接收的光強級成正比。每個光敏二極管位于半導體材料中與特定波長光對應(yīng)的深度處。例如，光敏二極管PD1對具有藍光波長特性的光線敏感，光敏二極管PD2和PD3對具有綠光波長特性的光敏感，以及光敏二極管PD4和PD5對具有紅光波長特性的光敏感。
電路190包括三組晶體管，其中，每一組都包括晶體管12、14和16。電路(190)分三個工作階段工作。第一工作階段是復(fù)位階段，其中，在不同節(jié)點處的電壓被初始化。第二工作階段是匯集階段，其中，光線被照射到所述光檢測器單元的表面上，從而在曝光時間間隔中匯集光電流。第三工作階段是輸出階段，其中，從匯集階段得到的信號電平被提供給其它的處理電路(例如DVP)。讀出線160、170以及180對應(yīng)于用于與所述傳感器相關(guān)的紅、綠和藍色強度值的輸出線。下面將就一個單一的光敏二極管更加詳細地描述電路190的操作。
圖2簡要示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一個像素陣列中的范例性像素單元(200)。所述像素單元包括三個晶體管，并在此后稱之為3-T像素單元。該3-T像素單元包括一個光敏二極管(PD20)和三個NMOS晶體管(202、204、206)。
晶體管202具有耦合到RESET信號的柵極，耦合到高壓電源(VCC)上的漏極，以及在節(jié)點10處耦合到所述光敏二極管的源極。所述光敏二極管具有耦合到節(jié)點10的陰極和耦合到低壓電源(GND)上的陽極。晶體管204具有耦合到節(jié)點10的柵極，耦合到節(jié)點12的源極，以及耦合到高壓電源(VCC)上的漏極。晶體管206具有耦合到SELECT信號的柵極，耦合到列讀出線的源極，以及耦合到節(jié)點12的漏極。晶體管202被設(shè)置成當被RESET信號激活時復(fù)位所述像素單元。晶體管204工作時作為源極跟隨器，其緩沖從節(jié)點10得到的電壓。晶體管206安排成當被SELECT信號激活時將所述源極跟隨器(晶體管204)耦合到所述列輸出線上。
所述3-T像素單元的工作通常如下所述。向晶體管202的柵極施加正脈沖，使得在光敏二極管PD20的陰極處被施加正偏壓。光敏二極管具有固有耗盡層電容(Cd)，當所述光敏二極管通電時該電容被充電。在晶體管202截止后，光敏二極管PD20由于儲存在耗盡層(Cd)中的電荷而保持正偏壓(Cd)。當所述光敏二極管接收到光子(光)時，光電流(Ip)從光敏二極管的陰極流向陽極。光電流(Ip)使得光敏二極管的耗盡層電容(Cd)放電并導致所述光敏二極管兩端的電壓下降。
雜散電容和寄生電容(Cp)存在于像素單元200中的節(jié)點10處。雜散電容和寄生電容(Cp)基本上是由來自晶體管204(源極跟隨器)柵極的寄生電容和來自晶體管202(復(fù)位晶體管)源極的寄生電容確定。最初被應(yīng)用于光敏二極管的偏置電壓被貯存在電容Cp和Cd的混合體中。
在匯集時間(Ti)期間，光電流(Ip)連同寄生電容(Cp)一起被匯集在所述在耗盡層電容(Cd)上。在所述電容上匯集的總電荷由Ip*Ti確定。在匯集階段結(jié)束時，光敏二極管的輸出電壓降低了由Vs＝Ip*Ti/Cd+Cp)確定的量。這樣，光敏二極管的輸出電壓(Vd)由Vd＝Vi-Vs確定，其中，Vi是在給光敏二極管施加光線之前貯存在電容Cd中的初始電壓。Vs則由于涉及到接收光的強度(Ip)和曝光時間(Ti)的長度而被描述為一個信號電壓。
輸出電壓(Vd)被施加到操作所述源極跟隨器的晶體管204的柵極，從而使得節(jié)點12的信號對應(yīng)于(Vd-Vt)，其中，Vd是晶體管204的閾值電壓。正脈沖經(jīng)SELECI信號施加給晶體管206(SELECT晶體管)的柵極，從而使得輸出電壓(Vd-Vt)與位于晶體管206源極的列讀出線相耦合。所述列讀出線通過一個偏置電壓接收與所述光敏二極管的輸出電壓相關(guān)的讀出電壓。所述偏置電壓對應(yīng)于所述晶體管204的閾值電壓(Vt)。
改進的縱向光檢測器單元光檢測器單元安排成與相鄰的光檢測器單元靠近。所述傳感器陣列中的每個像素包括三個光檢測器單元，其中的每一個都用于每一種顏色(例如，紅綠黃)。一個縱向光檢測器單元被安排成提供一種顏色信號(例如，紅色)而相鄰的光檢測器單元安被排成提供另一種顏色信號(例如，綠色)。
光電流是作為由相應(yīng)光敏二極管正在接收的入射光的結(jié)果而在每個光檢測器單元中發(fā)生的。在光檢測器單元上的入射光的三分之一被用于瞬時像素(對應(yīng)于一種顏色)，同而入射光線的三分之二和瞬時像素不相關(guān)(另外兩種顏色)。通過使用與根據(jù)相鄰像素指定的顏色相關(guān)的光電流改善了每個光檢測器單元中指定顏色的靈敏度。改進的縱向光檢測器單元參照附圖3在下面進行說明。
如圖3所示的改進的光檢測器單元示出了兩個相鄰的像素。每個像素包括一個縱向光檢測器單元，其具有藍色敏感區(qū)(320)、綠色敏感區(qū)(330)、紅色敏感區(qū)(340)以及電子電路(310)，它們被安排成處理從縱向光檢測器發(fā)來的信號。在一個例子中，紅色和綠色敏感光敏二極管利用掩埋注入(buried implantations)實現(xiàn)。掩埋的光敏二極管利用注入的“插頭”被連接，插頭允許從元件表面接近光敏二極管。藍色元件被注入硅表面。光敏二極管通常設(shè)置成根據(jù)對應(yīng)于顏色的入射光收集光載流子。
圖3中左半部分上的像素設(shè)置成處理紅色信號(R1)，而圖3中右半部分上的像素設(shè)置成處理綠色信號(G1)。位于圖右手一側(cè)的紅色敏感光敏二極管與位于圖左手一側(cè)的紅色敏感光敏二極管連接在一起。用于紅色像素的電子電路(310)檢測被綠色像素(右側(cè)的)收集到的紅色光子。相近似的，位于圖左手一側(cè)的綠色敏感光敏二極管與位于圖右手一側(cè)的綠色敏感光敏二極管連接在一起。用于綠色像素的電子電路(310)探測被紅色像素(左側(cè)的)收集到的綠色光子。通過從鄰近的像素中收集光子使得最后得到的圖像提高了每一種顏色的填充因數(shù)和靈敏度。
如圖3所示的每個光敏二極管區(qū)是包括了用于表示不同光敏二極管區(qū)的填充標記(例如，藍色的雜湊圖案)的簡圖。然而，每個遮蓋的區(qū)實際上是由p-型和n-型半導體材料限定的耦合處(例如，見圖1)。在一個例子中，所述填充區(qū)被表示為在規(guī)定區(qū)域中攙雜的n型材料，其中，p-型材料隔開每個n-型材料區(qū)。對于這個例子，n-型接觸插頭從元件表面向觸點埋存區(qū)延伸。
圖3所示的綠色光敏二極管區(qū)不能夠跨越用于紅色光敏二極管的接觸插頭，如虛線區(qū)域(332)所示。如下面將要描述的，在來自相鄰縱向單元的綠色光敏二極管材料之間的連接以三維空間的方式形成。相似的，相鄰縱向單元的藍色光敏二極管材料之間的連接不能跨越用于綠色和紅色光敏二極管(未示出)的接觸插頭。
像素傳感器陣列組成圖4示出了一個像素傳感器陣列。該像素傳感器陣列由一定數(shù)量的行和列構(gòu)成。陣列中的每個像素是對應(yīng)于圖1-3中表示的縱向光檢測器單元的顏色傳感器。
對所述像素傳感器陣列進行安排，以便使得每個縱向光檢測器單元對相同的顏色敏感。例如，見第一行，所述傳感器被安排成紅色(R)傳感器后年跟隨有綠色(G)傳感器的重復(fù)圖案。見第一列，所述傳感器被安排成紅色(R)傳感器后面跟隨有綠色(G)傳感器的重復(fù)圖案。見第二列，所述傳感器被安排成綠色(G)傳感器后面跟隨有藍色(B)傳感器的重復(fù)圖案。
由于三種顏色被處理以用于每個傳感器單元，每一組四個像素定義了x-y坐標系中的公共中心位置。如圖4所示，每組四個縱向光檢測器單元包括一個紅色(R)傳感器，兩個綠色(G)傳感器，以及一個藍色(B)傳感器。傳感器單元以一種圖案被重復(fù)，從而生成如圖4-6所示的成像傳感器陣列。
傳感器的4像素組(RGGB)位于如圖4所示的傳感器陣列中公共位置附近。在由藍色和綠色傳感器所占據(jù)的區(qū)域中接收的紅光被忽略掉，由此僅僅有4像素組總區(qū)域的四分之一(25％)檢測在所述像素位置處的紅光。在由藍色和紅色傳感器所占據(jù)的區(qū)域中接收到的綠光被忽略掉，由此，僅僅有4像素組總區(qū)域的二分之一(50％)檢測在所述像素位置處的綠光。在由綠色和紅色傳感器所占據(jù)的區(qū)域中接收到的藍光被忽略掉，由此，僅僅有4像素組總區(qū)域的四分之一(25％)檢測在所述像素位置處的藍光。填充因數(shù)是位于特殊像素位置處的傳感器靈敏度的量度。與圖4所示像素位置相關(guān)的填充因數(shù)具有25％的紅色填充因數(shù)，25％的藍色填充因數(shù)，以及50％的綠色填充因數(shù)。
圖4所示的4像素組(RGGB)的配置通常被稱之為“拜爾圖案”(“Bayerpattern”)。不同于本發(fā)明，在傳統(tǒng)的拜爾圖案傳感器陣列中采用濾色器。但是，傳統(tǒng)的DVP可用于容易地處理以拜爾圖案設(shè)置的縱向光檢測器單元發(fā)出的信息。
通過從相鄰縱向光檢測器單元重新要求未使用的光電流可以在改善的縱向光檢測器單元中修改圖4所示的圖案。每個顏色傳感器的區(qū)域經(jīng)如圖5和6所示的兩個因數(shù)而增加。
改進性能的范例性像素傳感器陣列圖案圖6示出了可以用于增加圖4所示每個顏色傳感器的區(qū)域的范例性像素傳感器圖案。該圖包括三個像素傳感器陣列(510-530)，其中的每一個都具有一個圖案(540-560)或在感興趣的像素區(qū)域上方重疊的模板。
陣列510示出了圖4所示的像素陣列，其具有一個用于在所述陣列上方重疊的綠色傳感器的增大尺寸的模板。綠色傳感器具有如用傳感器區(qū)域540表示的增大的區(qū)域。在傳感器區(qū)域540中的每個邊界區(qū)域?qū)?yīng)于綠色傳感器中的n-型材料(見圖2)。圖案540中的黑色實線表示每個綠色傳感器之間的邊界，并表示所述綠色傳感器材料中的間隙。圖案540中的交叉網(wǎng)格線指定每個綠色像素傳感器的中心位置，其對應(yīng)于與圖4所示綠色像素傳感器基本類似的中心位置。圖案540可以看作為相對于綠色的像素傳感器的中心旋轉(zhuǎn)大約45度的角的一組方形區(qū)。
陣列520和530分別表示用于紅色和藍色傳感器的具有增大尺寸模板的圖4所示的像素傳感器陣列。用于傳感器區(qū)域的模板在陣列上方重疊。紅色傳感器具有用傳感器區(qū)域550表示的增大的區(qū)域。藍色傳感器具有用傳感器區(qū)域560表示的增大的區(qū)域。傳感器區(qū)域550和560中的每個邊界區(qū)域?qū)?yīng)于紅色和藍色傳感器中的n-型材料(見圖2)。圖案550和560中的黑色實線表示了每個紅色或者藍色傳感器之間的邊界，并表示傳感器材料的間隙。圖案550和560中的交叉網(wǎng)格線指定用于每個紅色或者藍色像素傳感器的中心位置，該位置基本對應(yīng)于圖4所示像素傳感器類似的中心位置。圖案550和560被看作是一種交叉圖案，包括中心部分和延伸部分。中心部分位于所述像素傳感器的中心附近。延伸部分由中心部分向外延伸。對于圖5所示的例子，所述延伸部分以類似于加符號的方式從中心方形區(qū)域按正交方向(例如沿著x和y軸)徑向向外延伸。
盡管圖案540被表示為方形區(qū)，其它的圖案也能夠提供滿意的性能。例如，圓形，橢圓，矩形，以及其它多邊形區(qū)也可以用于綠色傳感器。在一個例子中，圖案540被設(shè)置成一系列的六邊形圖案。對于所述圖案的所有組合，所述區(qū)域都能夠被最佳地用于填充因數(shù)和顏色平衡。
可以對用于每個傳感器的增加區(qū)域進行調(diào)整，以提供成像傳感器中的顏色平衡。在一個例子中，綠色傳感器具有增大的區(qū)域，其大約兩倍于傳統(tǒng)拜爾圖案中的綠色傳感器的傳感器區(qū)。增大的綠色傳感器區(qū)提供了具有提高了填充因數(shù)(例如，以100％的填充因數(shù)代替用于傳統(tǒng)拜爾圖案的綠色傳感器的50％的填充因數(shù))的增強的靈敏度。在另一個例子中，紅色和/或者藍色傳感器具有增大的區(qū)域，其大約三倍于在通傳統(tǒng)拜爾圖案中的紅色或者藍色傳感器的傳感器區(qū)。增大的紅色傳感器區(qū)提供了具有提高了填充因數(shù)(例如，以75％的填充因數(shù)代替用于傳統(tǒng)拜爾圖案的紅色或者藍色傳感器的25％的填充因數(shù))的增強的靈敏度。填充因數(shù)以及靈敏度能夠通過采用所述的不同的形狀/大小的圖案來進行調(diào)整。
圖6表示了在范例性陣列中圖案540-560的定位。俯視圖被表示為610仰視圖被表示為620。每個圖都包括網(wǎng)格線，以指出與生成像素陣列相關(guān)的x-y坐標。上述視圖示出了所述傳感器在半導體中的三維深度和位置，其中，每一層代表在材料中的不同的深度。
所述藍色傳感器位于俯視圖(610)所示的最高平面(最靠近所述頁的表面)上，而紅色傳感器位于最低的平面上。藍色傳感器不具有用于圖案560的100％的填充因數(shù)，但位置580處具有空余空間。在一個例子中，所述空余空間可以包括一個光敏二極管，用于漏出在位置580處注入的由紅光引入的光載流子。在位置580處的范例性光敏二極管避免位置580處附帶的光敏二極管擴散進入由圖案570界定的傳感器區(qū)。擴散的光載流子能夠產(chǎn)生圖像中的壞點。
紅色傳感器位于表示在俯視圖中的最高的平面(620)上(最靠近紙頁表面)，而藍色傳感器位于最低的平面上。紅色傳感器不具有用于圖案570的100％的填充因數(shù)，和在位置580處具有空的空間。在一個例子中，所述空的空間可以包括一個光敏二極管，其被結(jié)構(gòu)成漏出由在位置580上入射的光載流子引入的紅光。在位置580處的范例性光敏二極管被結(jié)構(gòu)成防止在位置580處引入的光載流子彌散到由圖案570界定的傳感器區(qū)域中。
改進的縱向光檢測器單元由沿著x-y坐標系統(tǒng)的陣列組成，就如圖中網(wǎng)格線所描繪的那樣。生成陣列的中心位置與傳統(tǒng)的傳感器陣列基本相同。通過保持陣列中每個傳感器相同的中心位置，可以對所生成的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行傳統(tǒng)的成像算法(例如，色彩插入法)應(yīng)用于所得的圖像數(shù)據(jù)上。
由于在改進的光檢測器單元中將來自相鄰單元中附加光載流子也包括在用于每種顏色的整個傳感器區(qū)域中，所以，與傳統(tǒng)的傳感器陣列相比較，改進的縱向光檢測器具有更強的靈敏度。在一個例子中，在改進的縱向光檢測器單元中用于一種顏色的傳感器區(qū)域通過兩個參數(shù)來增加。在另一個例子中，用于改進的縱向光檢測器單元中一種顏色的傳感器區(qū)域通過三個參數(shù)來增加。通過改變縱向光檢測器單元中的傳感器區(qū)域能夠調(diào)節(jié)顏色平衡。
調(diào)制傳輸函數(shù)(MTF)是一種描述正弦圖案是如何通過所述成像系統(tǒng)傳輸?shù)暮瘮?shù)。通常，具有高MTF和低噪聲的圖像看作具有更高的圖像質(zhì)量。增大改進的縱向光檢測器單元的傳感器區(qū)會降低對應(yīng)于所使用圖像傳感器的MTF。減少的MTF的影響就是對彩色圖像(例如，紅藍綠)的空間低通濾過特性，以便當在所述圖像中存在高空間頻率時減少混色。由于借助于在所述成像傳感器中的光低通濾波器特性避免了由于混色所造成的人工產(chǎn)品，所以，改進了圖像的質(zhì)量。
上述的說明、例子和數(shù)據(jù)對本發(fā)明結(jié)構(gòu)的制造和應(yīng)用提供了完整的說明。由于不脫離本發(fā)明的精神和范圍就可以作出很多實施例，所以本發(fā)明的范圍由后面附加的權(quán)利要求書書限定。
權(quán)利要求
1.一種用于成像傳感器的像素單元，包括第一縱向光檢測器單元，其位于所述成像傳感器中的第一位置附近；第二縱向光檢測器單元，其位于所屬成像傳感器中的第二位置附近，其中，所述第二位置與所述第一位置相相鄰；第一光檢測器區(qū)，其位于所述第一和第二縱向光檢測器單元中，其中，所述第一光檢測器區(qū)被設(shè)置成檢測基本對應(yīng)于第一顏色的光，和所述第一光檢測器區(qū)在所述第一位置處具有第一幾何中心；第二光檢測器區(qū)，其位于所述第二縱向光檢測器單元中，其中，第二光檢測器區(qū)被設(shè)置成檢測基本對應(yīng)于第二顏色的光，和所述第二光檢測器區(qū)在第二位置處具有第二幾何中心。
2.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中，第一顏色對應(yīng)于紅、綠和藍色之一，和第二顏色對應(yīng)于紅、綠和藍中的另一個。
3.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中，所述第一光檢測器區(qū)位于第一平面中，并且第二光檢測器區(qū)位于不同于所述第一平面的第二平面中。
4.如權(quán)利要求1所述的像素單元，其中，所述第一傳感器區(qū)與所述第二光檢測器區(qū)不發(fā)生交叉。
5.如權(quán)利要求3所述的像素單元，其中，所述第一平面位于所述第二平面的上方，從而使得所述第一光檢測器區(qū)更接近所述成像傳感器的表面，以及所述第一光檢測器區(qū)被設(shè)置成經(jīng)由從所述第一光檢測器區(qū)向所述成像傳感器表面延伸的電觸點提供信號。
6.如權(quán)利要求3所述的像素單元，其中，所述第一平面位于所述第二平面的下方，從而使得所述第二光檢測器區(qū)更接近成像傳感器的表面，以及所述第一光檢測器區(qū)被設(shè)置成經(jīng)由從所述第一光檢測器區(qū)向所述成像傳感器表面延伸且不與第二光檢測器區(qū)接觸的電觸點提供信號。
7.如權(quán)利要求1所述的像素單元，還包括位于所述成像傳感器中第三位置處的第三縱向光檢測器單元，其中，所述第三位置與所述第一和第二位置相鄰；所述第三光檢測器區(qū)位于第三縱向光檢測器單元中，其中，所述第三光檢測器區(qū)被設(shè)置成檢測基本對應(yīng)于第三顏色的光，以及所述第三光檢測器區(qū)具有在所述第三位置處的第三幾何中心。
8.如權(quán)利要求7所述的像素單元，進一步包括，第四光檢測器單元，其設(shè)置在所述成像傳感器中的第四位置處，其中，所述第四位置與所述第一、第二和第三位置相鄰；以及所述第四光檢測器區(qū)位于所述第四縱向光檢測器單元中，其中，所述第三光檢測器區(qū)被設(shè)置成檢測基本對應(yīng)于第三顏色的光，以及所述第四光檢測器區(qū)具有在所述第四位置處的第四幾何中心。
9.如權(quán)利要求8所述的像素單元，其中，所述第一、第二和第三顏色分別對應(yīng)于紅、藍和綠。
10.如權(quán)利要求8所述的像素單元，其中，所述第一、第二、第三和第四縱向光檢測器單元被設(shè)置成用于定義一個傳感器單元的組。
11.一種被安排成像素單元陣列的成像傳感器，包括第一傳感器，對基本對應(yīng)于第一波長的光敏感，其中，所述第一傳感器被置于陣列中的第一像素位置中心附近；第二傳感器，對基本對應(yīng)于第二波長的光敏感，其中，所述第二傳感器被置于陣列中的第二像素位置中心附近；第三傳感器，對基本對應(yīng)于第三波長的光敏感，其中，第三傳感器被置于陣列中的第三像素位置中心附近；第四傳感器，對基本對應(yīng)于第三波長的光敏感，其中，第四傳感器被置于陣列中的第四像素位置中心附近；與所述第一、第二、第三和第四傳感器相關(guān)的傳感器材料，其中，所述傳感器材料包括中心部分和延伸部分，其中，所述中心部分位于縱向光檢測器單元內(nèi)，和所述延伸部分位于與所述光檢測器單元相鄰的另一個縱向光檢測器單元內(nèi)，其中，所述中心被耦合到所述延伸部分，從而從所述相鄰的縱向光檢測器單元中收集光載流子，以增加所選傳感器的靈敏度。
12.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所述像素單元陣列包括從一個像素單元沿著第一方向延伸的第一和第三傳感器的第一替換圖案，從所述像素單元沿著第二方向延伸的第一和第四傳感器的第二替換圖案，從所述像素單元沿著第一方向延伸的第二和第三傳感器的第三替換圖案，以及從所述像素單元沿著第二方向延伸的第二和第四傳感器的第四替換圖案。
13.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所選傳感器之一以成形圖案進行設(shè)置，所述圖案是由所述傳感器材料的所述中心和延伸部分定義的，以及其中成形圖案是四邊形，其中心基本位于陣列中的一個像素附近。
14.如權(quán)利要求13所述的成像傳感器，其中，所選傳感器之一以成形圖案進行設(shè)置，所述圖案是由所述傳感器材料的所述中心和延伸部分定義的，以及其中，所述成形圖案是四邊形，其中心基本上位于陣列中的一個像素附近，從而使與所選傳感器之一相關(guān)的所述傳感器材料具有基本上二倍于與所述陣列中一個像素相關(guān)的區(qū)域的有效區(qū)域。
15.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所選傳感器之一以成形圖案進行設(shè)置，所述圖案是由所述傳感器材料的所述中心中間和延伸部分定義的，以及其中所述成形圖案對應(yīng)于與陣列中一個像素成45度角取向的一個四邊形。
16.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所述像素陣列包括一組第一傳感器，每個傳感器以一個成形圖案進行設(shè)置，所述成形圖案對應(yīng)于與所述陣列中一個像素成45度角取向的一個四邊形，從而使所述傳感器具有用于與所述第一波長相關(guān)的顏色的近似100％的填充系數(shù)。
17.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所選傳感器之一個成形圖案進行設(shè)置，所述圖案由所述傳感器材料的所述中心和延伸部分定義，以及其中所述傳感器材料的所述延伸部分沿著與所述傳感器中心正交的一組軸延伸，其相對于傳感器材料的中心沿著正交的軸延伸。
18.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所選傳感器之一個成形圖案進行設(shè)置，所述圖案由所述傳感器材料的所述中心和延伸部分定義，以及其中所述傳感器材料的所述延伸部分沿著與所述傳感器材料的中心正交的一組軸延伸，從而使得與所選傳感器之一相關(guān)的傳感器材料具有基本上三倍于與陣列中一個像素相關(guān)的區(qū)域的有效區(qū)域。
19.如權(quán)利要求11所述的成像傳感器，其中，所述像素陣列包括一組第二傳感器，每個傳感器以一個成形圖案進行設(shè)置，所述圖案由所述傳感器材料的中心部分和延伸部分定義，從而使得所述傳感器材料的所述延伸部分沿著與所述傳感器材料中心正交的一組軸延伸，其中第二組傳感器組界定出一個中心區(qū)，包括對近似對應(yīng)于第二波長的光敏感的第五傳感器，其中，所述第五傳感器被結(jié)構(gòu)成漏出由與在所述中心區(qū)入射光相關(guān)的第二波長引入的光載流子。
20.一種成像傳感器，包括用于收集光載流子的第一裝置，設(shè)置成從第一縱向光檢測器單元中收集第一光載流子，其中第一光載流子對應(yīng)于第一顏色；用于收集光載流子的第二裝置，設(shè)置成從鄰近于第一縱向光檢測器單元的第二縱向光檢測器單元中收集第二光載流子，其中第二光載流子對應(yīng)于第二顏色；用于收集光載流子的第三裝置，設(shè)置成從第二縱向光檢測器單元中收集第一光載流子；用于耦合的裝置，設(shè)置成將由用于收集光載流子的第二裝置收集的第一光載流子與用于收集光載流子的第一裝置收集的第一光載流子相耦合，從而使得與來自所述縱向光檢測器單元和來自所述相鄰縱向光檢測器單元的所述第一顏色相關(guān)的光載流子相互結(jié)合，以增加對所述傳感器中所述第一顏色的靈敏度。
全文摘要
一種在成像傳感器中使用的改進的縱向光檢測器單元。與在縱向光檢測器單元中給定顏色相關(guān)的傳感器材料被耦合到與在相鄰光檢測器單元中相同顏色相關(guān)的傳感器材料上，從而使得來自相鄰單元中的光載流子被結(jié)合。在成像傳感器陣列中，縱向光檢測器單元被安排成使得每一顏色平面以一個圖案設(shè)置，一個圖案中的每個傳感器具有中心部分和延伸部分。所述中心部分和延伸部分中的每一個都位于與陣列中每個像素相關(guān)的幾何中心附近。
文檔編號G01J3/51GK1519546SQ200310121689
公開日2004年8月11日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者威廉·J·金特, 威廉 J 金特 申請人:國立半導體公司