專利名稱：層疊式cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器，特別是涉及一種層疊式CMOS圖像傳感器，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷I禹合兀件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。CMOS圖像傳感器一般由感光元件和CMOS信號(hào)處理電路構(gòu)成。目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，根據(jù)其包括的晶體管的數(shù)目主要?jiǎng)澐譃榘◤?fù)位晶體管(Reset Transistor, RST)、源跟隨晶體管(Source Follower Transistor, SF)和行選擇晶體管(Row Select, RS)的三管圖像傳感器(3T型)和包括復(fù)位晶體管(RST)、源跟隨晶體管(SF)、行選擇晶體管(RS)和轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor,TX)的四管圖像傳感器(4T型)兩大類。一方面，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器檢測(cè)可見光時(shí)，通常先使用紅、綠、藍(lán)三種顏色的濾光片阻擋其他光線通過，再通過圖像傳感器(通常為光電二極管或者CCD)檢測(cè)相應(yīng)顏色的光。這種被廣泛用于檢測(cè)自然光的帶有紅、綠、藍(lán)三種顏色濾光片的圖像傳感器至少存在以下缺點(diǎn)首先，由于一個(gè)像素點(diǎn)是由三個(gè)或更多個(gè)圖像傳感器組成，造成圖像傳感器面積較大，因而不可避免的會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差；其次，濾光片本身的性能會(huì)隨著溫度的變化和時(shí)間的推移而改變，進(jìn)而影響成像的質(zhì)量；最后，由于要使用濾光片，因此導(dǎo)致成本的增加。盡管目前的棱鏡分光3CCD技術(shù)可以解決上述問題，但其帶來的成本的增加也是相當(dāng)巨大的。另一方面，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器對(duì)于紫外光、可見光、紅外光的檢測(cè)通常都是分別進(jìn)行的，并沒有一種可以同時(shí)檢測(cè)幾種不同波段光的圖像傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中檢測(cè)自然光的圖像傳感器使用濾光片引起的圖像傳感器面積較大和濾光片本身的性能變化導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差、以及增加圖像傳感器成本的問題，還用于解決現(xiàn)有技術(shù)中需要使用不同的圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)紫外光、可見光、紅外光檢測(cè)的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，至少包括襯底層，至少包括位于其中的列總線、放大器、用以提供恒定電流的電流源單元、及用以圖像處理的圖像處理單元，其中，所述圖像處理單元至少包括時(shí)鐘和控制電路，行、列、層解碼電路，采樣保持電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像處理器；所述放 大器和電流源單元均與列總線相連；感光疊層，層疊覆蓋所述襯底層表面，用以同時(shí)吸收不同波段的光，至少包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收各該不同波段光的多個(gè)感光層，且各該感光層中至少包括一個(gè)開關(guān)元件以及與其相連接的一個(gè)感光元件；像素讀出單元，位于襯底層中或位于所述感光疊層中的至少一個(gè)感光層中，至少包括連接所述感光層的復(fù)位晶體管、連接所述復(fù)位晶體管及感光層的源跟隨晶體管，以及連接所述源跟隨晶體管的行選擇晶體管?？蛇x地， 所述感光疊層至少包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收第一波段光的第一感光層、及層疊在所述第一感光層上的用于吸收第二波段光的第二感光層?？蛇x地，所述感光疊層還包括層疊在所述第二感光層上的用于吸收第三波段光的第三感光層?？蛇x地，所述第一感光層中通過對(duì)鍺進(jìn)行摻雜形成用以吸收紅外光的鍺材料感光元件，所述第二感光層中通過對(duì)硅進(jìn)行摻雜形成用以吸收可見光的硅材料感光元件，所述第三感光層中通過對(duì)碳化硅進(jìn)行摻雜形成用以吸收紫外光的碳化硅材料感光元件?？蛇x地，各該感光層的材料為禁帶寬度與所需吸收的光子能量相匹配半導(dǎo)體材料，分別選自碳化硅、硅、鍺、或鍺硅，或分別選自經(jīng)摻雜的碳化硅、硅、鍺、或鍺硅。可選地，所述感光疊層中的各該感光層為同種半導(dǎo)體材料。可選地，所述的襯底層與感光疊層之間具有絕緣層、或/及所述感光疊層中各感光層之間具有絕緣層。可選地，所述感光疊層中的感光層為由多個(gè)感光子層組成的復(fù)合感光層?？蛇x地，各該感光子層之間具有絕緣層?？蛇x地，所述感光疊層的各該感光元件為PN結(jié)光電二極管、針扎式光電二極管、或光電門中的至少一種。可選地，所述像素讀出單元位于所述的感光疊層的一個(gè)感光層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，且各該感光元件與所述像素讀出單元之間通過各該感光元件對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件連接，其中，所述的感光疊層與像素讀出單元形成一像素模塊。可選地，多個(gè)所述像素讀出單元分別位于所述的感光疊層的多個(gè)感光層中，所述感光疊層的所有感光元件對(duì)應(yīng)所述的多個(gè)像素讀出單元，且所述的感光疊層的每個(gè)感光元件通過其各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件只與一個(gè)所述像素讀出單元連接，其中，所述的感光疊層與多個(gè)所述像素讀出單元形成一像素模塊。可選地，所述的像素讀出單元位于襯底層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，其中，所述感光疊層即為一像素模塊。如上所述，相對(duì)于現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器而言，本發(fā)明的層疊式CMOS圖像傳感器，具有以下有益效果I)本發(fā)明由于采用了無濾光片的設(shè)計(jì)，降低成本的同時(shí)也避免了濾光片引起的圖
像質(zhì)量變差等問題；2)本發(fā)明由于采用層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，使所需電路結(jié)構(gòu)可以做在單獨(dú)的一層上(襯底層)，從而大大提聞填充因子，進(jìn)一步提聞圖像的質(zhì)量；3)本發(fā)明由于采用層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，使一個(gè)像素具有檢測(cè)不同波段光的能力，一次曝光可以同時(shí)獲得紫外光、可見光和紅外光等信息，可以通過一塊芯片獲得多種信息，不僅降低了成本及復(fù)雜度，而且大大提高了轉(zhuǎn)換的效率和圖像質(zhì)量；4)本發(fā)明提供的層疊式CMOS圖像傳感器，可用以實(shí)現(xiàn)可見光的精準(zhǔn)成像，將紅、藍(lán)、綠光感光器件制備在位于半導(dǎo)體襯底同一區(qū)域的不同疊層上，進(jìn)一步提高了圖像傳感器的集成度。


圖I顯示為本發(fā)明層疊式CMOS圖像傳感器在實(shí)施例一中的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a至圖2e顯示為本發(fā)明層疊式CMOS圖像傳感器的感光疊層為不同結(jié)構(gòu)時(shí)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖3顯示為本發(fā)明層疊式CMOS圖像傳感器中不同波段光的強(qiáng)度與進(jìn)入材料深度的關(guān)系不意圖。圖4a至圖4b顯示為本發(fā)明層疊式CMOS圖像傳感器中不同組成的像素模塊對(duì)應(yīng)的等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖5顯示為本發(fā)明層疊式CMOS圖像傳感器在實(shí)施例二中的等效電路結(jié)構(gòu)圖示意圖。元件標(biāo)號(hào)說明I襯底層11 列總線12 放大器13電流源單元14圖像處理單元2感光疊層21紅外光感光層22可見光感光層22a、22b、22c可見光感光層的感光子層23紫外光感光層21’紅光感光層22’綠光感光層23’藍(lán)光感光層212、222、232、212’、222’、232’PN 結(jié)光電二極管、感光元件2111、2211、2311、2111，、2211，、2311，開關(guān)元件3、3’像素讀出單元31、31’復(fù)位晶體管32、32’源跟隨晶體管33、33’行選擇晶體管341、342、343轉(zhuǎn)移晶體管351、352、353浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)41、421、422、422a c、41"、421"、422"絕緣 層5、5’像素模塊
6、6’ 像素模塊陣列
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱圖I至圖5。需要說明的是，以下具體實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。現(xiàn)有的檢測(cè)可見光的CMOS圖像傳感器為帶有紅、綠、藍(lán)三種顏色濾光片的圖像傳感器，由于濾光片的使用，導(dǎo)致成本的增加，引起圖像傳感器面積較大導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差，而且濾光片本身的性能變化也影響成像的質(zhì)量；現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器對(duì)于紫外光、可見光、紅外光的檢測(cè)通常都是分別進(jìn)行的，并沒有一種可以同時(shí)檢測(cè)幾種不同波段光的圖像傳感器。鑒于此，本發(fā)明提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，至少包括襯底層、層疊覆蓋在襯底層上的感光疊層、以及像素讀出單元，其中，列總線、放大器、電流源單元、及圖像處理單元位于襯底層中；感光疊層包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收不同波段光的多個(gè)感光層，且各該感光層中至少包括一個(gè)開關(guān)元件以及與其相連接的一個(gè)感光元件；像素讀出單元位于襯底層中或位于感光疊層中的至少一個(gè)感光層中。本發(fā)明采用無濾光片的層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)像素具有檢測(cè)不同波段光的能力，不僅降低了成本及復(fù)雜度，而且大大提高了圖像傳感器的轉(zhuǎn)換效率、圖像質(zhì)量和集成度。實(shí)施例一如圖I至圖4所示，本發(fā)明提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，至少包括位于襯底層I中的列總線11、放大器12、電流源單元13、及圖像處理單元14 ;層疊覆蓋在所述襯底層I上的感光疊層2中的用于吸收不同波段光的多個(gè)感光層，在本實(shí)施例一中，為用于吸收三個(gè)波段光的三個(gè)感光層，其中，第一感光層為紅外光感光層21，第二感光層為可見光感光層22、第三感光層為紫外光感光層23 ;以及至少包括復(fù)位晶體管31、源跟隨晶體管32、以及行選擇晶體管33的像素讀出單元3，在本實(shí)施例一中，所述層疊式CMOS圖像傳感器為4T型，則所述像素讀出單元3還包括分別位于各該感光層的轉(zhuǎn)移晶體管341 343和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351 353。所述襯底層I材料為半導(dǎo)體材料或有機(jī)薄膜材料，其中，所述半導(dǎo)體材料為娃、鍺、或鍺硅，所述有機(jī)薄膜材料為ZnO-TFT，所述襯底層I的結(jié)構(gòu)為單一材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或帶絕緣埋層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例一中，所述襯底層I為體硅，但不局限于此，在另一實(shí)施例中，所述襯底層I為絕緣體上鍺(GOI)。如圖I所示，所述襯底層I至少包括位于其中的所述列總線11與所述的放大器12、電流源單元13和像素讀出單元3相連接。所述放大器12用以放大經(jīng)所述的像素讀出單元3讀出的包含像素信息的電信號(hào)，其中，一個(gè)輸入端與所述列總線相連，另一個(gè)輸入端接地，并將放大后的包含像素信息的電信號(hào)輸出至所述圖像處理單元14。所述電流源單元13包括用以提供恒定電流的電路(未圖示)，使所述像素讀出單元3中的源跟隨晶體管32的柵源電流(Ids)保持恒定，以供保證源極電壓與柵極電壓差恒定，從而達(dá)到源電壓跟隨柵極電壓的目的，其中，所述電流源單元13的一端與所述的列總線11和放大器12相連接，另一端接地。所述圖像處理單元14與所述放大器12的輸出端相連，至少包括時(shí)鐘和控制電路，行、列、層解碼電路，采樣保持電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像處理器(未圖示)，用以將經(jīng)放大器12放大過的包含像素信息的電信號(hào)進(jìn)行圖像處理。如圖2a所示，所述感光疊層2層疊覆蓋在所述襯底層I上，至少包括層疊覆蓋在所述襯底層I上的用于吸收不同波段光的多個(gè)感光層，在本實(shí)施例一中，層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收第一波段光(紅外光)的第一感光層為紅外光感光層21,層疊在所述第一感光層(紅外光感光層21)上的用于吸收第二波段光(可見光)的第二感光層為可見光感光層22，及層疊在所述第二感光層(可見光感光層22)上的用于吸收第三波段光(紫外光)的第三感光層為紫外光感光層23，各該感光層的材料為禁帶寬度與所需吸收的光子能量相匹配半導(dǎo)體材料，分別選自碳化硅、硅、鍺、或鍺硅，或分別選自經(jīng)摻雜的碳化硅、硅、鍺、或鍺硅，其中，在本實(shí)施例一中，所述紅外光感光層21為鍺(Ge)材料，所述可見光感光層22為硅(Si)材料，所述紫外光感光層23為碳化硅(SiC)材料，但不局限于此，在另一實(shí)施例中，各該感光層的材料可為同種半導(dǎo)體材料。各該感光層中至少包括一個(gè)開關(guān)元件以及與其相連接的一個(gè)感光元件，各該感光元件為PN結(jié)光電二極管、針扎式光電二極管(Pinned Diode)、或光電門中的至少一種，其中，所述感光元件用于本發(fā)明的圖像傳感器在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含像素信息的電信號(hào)，在本實(shí)施例一中，各該感光層中的感光元件均為PN結(jié)光電二極管，但并不局限于此，在另一實(shí)施例中，也存在各該感光層中的感光元件類型均不相同情況，即分別為PN結(jié)光電二極管、針扎式光電二極管、及光電門的一種(未圖不)；所述開關(guān)元件均包括一個(gè)NMOS晶體管、多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的NMOS晶體管、一個(gè)PMOS晶體管、或多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的PMOS晶體管，在本實(shí)施例一中，所述開關(guān)元件均為一個(gè)NMOS晶體管。需要說明的是，本實(shí)施例一中所述感光疊層2中的感光層個(gè)數(shù)為三個(gè)(第一感光層為紅外光感光層21，第二感光層為可見光感光層22、第三感光層為紫外光感光層23)，但并不僅局限于此，在另一實(shí)施例中，所述感光疊層2中的感光層個(gè)數(shù)也可以為只用于吸收兩種不同波段光的兩個(gè)感光層，其包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收第一波段光的第一感光層及層疊在所述第一感光層上的用于吸收第二波段光的第二感光層；當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，所述感光疊層2中的感光層個(gè)數(shù)也可以為四個(gè)感光層或更多個(gè)感光層，在此不再一一贅述。需要進(jìn)一步說明的是，所述感光疊層2中的感光層可為由多個(gè)感光子層組成的復(fù)合感光層，在本實(shí)施例一中，即所述 的第一感光層(紅外光感光層21)、第二感光層(可見光感光層22)、或第三感光層(紫外光感光層23)可分別或同時(shí)為由多個(gè)感光子層組成的復(fù)合感光層，例如，圖2b所示的是只有所述可見光感光層22為由多個(gè)感光子層(22a 22c)組成的復(fù)合感光層的情況。
需要指出的是，為了避免各該感光層之間的串?dāng)_，影響圖像質(zhì)量，因此所述的襯底層I與感光疊層2之間采用絕緣層、或/及所述感光疊層2中各感光層之間采用絕緣層進(jìn)行隔離；需要進(jìn)一步指出的是，所述絕緣層4為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)，其中的所述單層結(jié)構(gòu)或所述疊層結(jié)構(gòu)中的每一層的材料為氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的任意一種。如圖2c所示，在本實(shí)施例一中，所述的襯底層I與感光疊層2之間采用單層絕緣層41、及所述感光疊層2中各感光層之間采用絕緣層(包括位于所述的紅外光感光層21與可見光感光層22之間的單層絕緣層421，及所述的可見光感光層22與紫外光感光層23之間的單層絕緣層422，此時(shí)各該感光層均為不包含感光子層情況，為單層結(jié)構(gòu))進(jìn)行隔離；在另一實(shí)施例中，當(dāng)所述感光疊層2中感光層為由多個(gè)感光子層組成的復(fù)合感光層時(shí)，各該感光子層之間具有絕緣層，例如，圖2d所示的只有所述可見光感光層22為由多個(gè)感光子層(22a 22c)組成的復(fù)合感光層的情況，其各該感光子層(22a 22c)之間具有單層絕緣層422a 422c ；進(jìn)一步，在其他實(shí)施例中，如圖2e所示，所述紅 外光感光層21、可見光感光層22及紫外光感光層23均為單層結(jié)構(gòu)，但所述絕緣層41”、421”及422”為氮化硅和氮氧化硅的疊層結(jié)構(gòu)的絕緣層。具體地,在本實(shí)施例一中，如圖2c所不,所述的第一感光層(紅外光感光層21)、第二感光層(可見光感光層22)及第三感光層(紫外光感光層23)均為單層結(jié)構(gòu)，且各感光層之間采用絕緣層(包括位于所述的紅外光感光層21與可見光感光層22之間的絕緣層421，及所述的可見光感光層22與紫外光感光層23之間的絕緣層422)進(jìn)行隔離，同時(shí)，所述的襯底層I與感光疊層2之間采用絕緣層41進(jìn)行隔離，且所述絕緣層41、421及422均為單層結(jié)構(gòu)的氮化硅絕緣層；如圖2c所示，在本實(shí)施例一中，各該感光層中的感光元件均為PN結(jié)光電二極管；如圖I所示，在本實(shí)施例一中，所述開關(guān)元件均為一個(gè)NMOS晶體管，當(dāng)其柵極加高電壓時(shí)，所述開關(guān)元件閉合呈導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)其柵極接地時(shí)，所述開關(guān)元件打開呈斷開狀態(tài)。進(jìn)一步,在本實(shí)施例一中，如圖I所示，所述紅外光感光層21中包括一個(gè)開關(guān)元件2111以及與其相連接的一個(gè)感光元件(PN結(jié)光電二極管)212，其中，在所述紅外光感光層21中，通過對(duì)鍺進(jìn)行摻雜形成鍺PN結(jié)光電二極管感光元件212，包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地，所述開關(guān)元件2111的一端與所述像素讀出單元3相連接，且在本實(shí)施例一中，所述開關(guān)元件2111的另一端連至位于紅外光感光層21中的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(FloatingDiffusion, FD) 351(實(shí)施例一中，本發(fā)明圖像傳感器為4T型，感光元件(PN結(jié)光電二極管)212的N型區(qū)通過轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor, TX) 341連接至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351)，但并不局限于此，在另一實(shí)施例中，當(dāng)本發(fā)明圖像傳感器為3T型時(shí)，所述開關(guān)元件2111的另一端連至PN結(jié)光電二極管212的N型區(qū)；在本實(shí)施例一中，如圖I所示，所述可見光感光層22中包括一個(gè)開關(guān)元件2211以及與其相連接的一個(gè)感光元件(PN結(jié)光電二極管)222，其中，在所述可見光感光層22中，通過對(duì)硅進(jìn)行摻雜形成硅PN結(jié)光電二極管感光元件222，包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地，所述開關(guān)元件2211的一端與所述像素讀出單元3相連接，且在本實(shí)施例一中，所述開關(guān)元件2211的另一端連至位于可見光感光層22中的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(Floating Diffusion, FD) 352 (實(shí)施例一中，本發(fā)明圖像傳感器為4T型，感光元件(PN結(jié)光電二極管)222的N型區(qū)通過轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor, TX) 342連接至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)352)，但并不局限于此，在另一實(shí)施例中，當(dāng)本發(fā)明圖像傳感器為3T型時(shí)，所述開關(guān)元件2211的另一端連至PN結(jié)光電二極管222的N型區(qū)；在本實(shí)施例一中，如圖I所示，所述紫外光感光層23中包括一個(gè)開關(guān)元件2311以及與其相連接的一個(gè)感光元件(PN結(jié)光電二極管)232，其中，在所述紫外光感光層23中，通過對(duì)碳化硅(SiC)進(jìn)行摻雜形成碳化硅PN結(jié)光電二極管感光元件(PN結(jié)光電二極管)232，包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地，所述開關(guān)元件2311的一端與所述像素讀出單元3相連接，且在本實(shí)施例一中，所述開關(guān)元件2311的另一端連至位于紫外光感光層23中的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(Floating Diffusion,FD) 353 (實(shí)施例一中，本發(fā)明圖像傳感器為4T型，感光元件(PN結(jié)光電二極管)232的N型區(qū)通過轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor, TX) 343連接至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)353),但并不局限于此，在另一實(shí)施例中，當(dāng)本發(fā)明圖像傳感器為3T型時(shí)，所述開關(guān)元件2311的另一端連至PN結(jié)光電二極管232的N型區(qū)。需要特別指出的是，不同波長的光在同一半導(dǎo)體材料中具有不同的響應(yīng)特性，只有當(dāng)半導(dǎo)體能帶寬度Ee小于入射光的光子能量Eph(Eph = h U = hc/ λ )時(shí),半導(dǎo)體才會(huì)吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，不同半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長光吸收的強(qiáng)弱可用吸收系數(shù)a表示，P(x) = PtlXexp(^ax),其中，Pci為入射光強(qiáng)度，P(X)為半導(dǎo)體內(nèi)光程x處光強(qiáng)度，當(dāng)x=I時(shí)，P(d) =PtlXe,定義d為光子穿透深度。吸收系數(shù)a = a( λ)是波長的函數(shù)，它強(qiáng)烈依賴于波長，吸收系數(shù)隨波長的減小而迅速增大，即半導(dǎo)體材料要吸收不同波長的光，需要不同的入射光程，波長越短，半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收系數(shù)越大，完全吸收入射光、實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換需要入射光在半導(dǎo)體內(nèi)傳輸?shù)挠行Ч獬淘蕉?，反之則越長。換言之，不同波長的入射光在同一半導(dǎo)體材料中被吸收時(shí)，各該不同波長的入射光進(jìn)入半導(dǎo)體材料的深度不同。為了便于同時(shí)吸收不同波段的光，使本發(fā)明的圖像傳感器具有檢測(cè)不同波段光的能力，則本發(fā)明用以吸收光的所述感光疊層2采用疊層結(jié)構(gòu)，由于各該感光層在感光疊層2中所處的位置不同，因此當(dāng)各該感光層為同種半導(dǎo)體材料時(shí)也可以吸收不同波段的光。如圖3所示，在本實(shí)施例一中，紫外光、可見光和紅外光為三個(gè)波段不同的光，其中波長相對(duì)最短的紫外光在距離入射表面較近的Cl1位置幾乎全部被吸收，可見光在距離入射表面相對(duì)居中的d2位置(d2相對(duì)于Cl1和d3，位于中間位置)幾乎全部被吸收，而三個(gè)波段中波長相對(duì)最長的紅外光主要在距離入射表面較遠(yuǎn)的d3位置幾乎全部被吸收。鑒于上述理論，在本實(shí)施例一中，所述的紫外光感光層23層疊在可見光感光層22上,位于感光疊層2中上層部分，用以將紫外光在距離入射面(感光疊層2的表面)的較近的位置幾乎全部被吸收，紫外光感光層23的底部距入射面(感光疊層2的表面)的距離r3 (或紫外光感光層為復(fù)合感光層，其各子層的厚度總和)在O和d2之間；所述的可見光感光層22層疊在所述紅外光感光層21上，位于感光疊層2的中層部分，用以將可見光在距離入射面(感光疊層2的表面)的相對(duì)居中的位置幾乎全部被吸收，可見光感光層22的底部距入射面(感光疊層2的表面)的距離r2 (或可見光感光層為復(fù)合感光層，其各子層的厚度總和)在1*3和d3之間；所述的紅外光感光層21 層疊覆蓋在襯底層I上，位于感光疊層2中下層部分，用以將紅外光在距離入射面(感光疊層2的表面)的較遠(yuǎn)的位置幾乎全部被吸收，紅外光感光層21的底部距入射面(感光疊層2的表面)的距離(或紅外光感光層為復(fù)合感光層，其各子層的厚度總和)大于r2。同理，在另一實(shí)施例中，對(duì)可見光而言，由于藍(lán)光、綠光和紅光的波長為遞增情況，因此藍(lán)光吸收在最靠近入射面(感光疊層2的表面)的區(qū)域，紅光的吸收則集中在距離入射面(感光疊層2的表面)較遠(yuǎn)的內(nèi)部區(qū)域，綠光的吸收區(qū)域介于二者之間。需要進(jìn)一步說明的是，通常半導(dǎo)體的禁帶寬度與某一波段光的光子能量相匹配時(shí)，該波段光可以被很好的吸收，因此，所述感光疊層2中各該感光層的材料為禁帶寬度與所需吸收的光子能量相匹配半導(dǎo)體材料，其中，在本實(shí)施例一中，為了更好的吸收紫外光，紫外光感光層23采用禁帶寬度比較大的材料碳化硅；為了更好的吸收可見光，可見光感光層22采用中等禁帶寬度的材料硅；為了更好的吸收紅外光，紅外光感光層21采用禁帶寬度最小的材料鍺。所述像素讀出單元3(未圖示)位于 襯底層I中或位于所述感光疊層2中的至少一個(gè)感光層中，用以將所述感光疊層2獲得的包含像素信息的電信號(hào)(各該感光元件在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含像素信息的電信號(hào))，受電流源單元13影響經(jīng)列總線11和放大器12讀出至圖像處理單元14，至少包括連接所述感光層的復(fù)位晶體管31 (Reset Transistor, RST)、連接所述復(fù)位晶體管31及感光層的源跟隨晶體管
32(Source Follower Transistor, SF),以及連接所述源跟隨晶體管32的行選擇晶體管
33(Row Select, RS)，其中，所述的復(fù)位晶體管31、源跟隨晶體管32、及行選擇晶體管33均包括一個(gè)NMOS晶體管、多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的NMOS晶體管、一個(gè)PMOS晶體管、或多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的PMOS晶體管中的一種。需要指出的是，所述層疊式CMOS圖像傳感器為3T型圖像傳感器或4T型圖像傳感器，其中，所述4T型圖像傳感器的像素讀出單元3(未圖示)還包括位于各該感光層中對(duì)應(yīng)各自感光元件的轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor, TX) 341 343和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(Floating Diffusion，F(xiàn)D) 351 353，其中，所述的轉(zhuǎn)移晶體管包括一個(gè)NMOS晶體管、多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的NMOS晶體管、一個(gè)PMOS晶體管、或多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的PMOS晶體管中的一種。在本實(shí)施例一中，所述層疊式CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，所述的復(fù)位晶體管31、源跟隨晶體管32、行選擇晶體管33、及轉(zhuǎn)移晶體管34均為一個(gè)NMOS晶體管。但不局限與此，在另一實(shí)施例中，所述像素讀出單元3中的晶體管可為上述串/并聯(lián)情況或PMOS情況。需要指出的是，所述像素讀出單元3位于襯底層I中或位于所述感光疊層2中的至少一個(gè)感光層中，如圖l、4a和4b所示存在以下幾種情況如圖I所示，所述像素讀出單元3位于所述的感光疊層2的一個(gè)感光層中，所述感光疊層2的所有感光元件共用所述像素讀出單元3，且各該感光元件與所述像素讀出單元3之間通過各該感光元件對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件連接，其中，所述的感光疊層2與像素讀出單元3形成一像素模塊5 ；如圖4a所示，所述的像素讀出單元3位于襯底層I中，所述感光疊層2的所有感光元件共用所述像素讀出單元3，其中，所述感光疊層2即為一像素模塊5 ；如圖4b所示，多個(gè)所述像素讀出單元3分別位于所述的感光疊層2的多個(gè)感光層中，所述感光疊層2的所有感光元件的包含像素信息的電信號(hào)通過所述的多個(gè)像素讀出單元3讀出，且所述的感光疊層2的每個(gè)感光元件通過其各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件只與一個(gè)所述像素讀出單元3連接，其中，所述的感光疊層2與多個(gè)所述像素讀出單元3形成一像素模塊5。換言之，分別位于所述的感光疊層2的多個(gè)感光層中的多個(gè)所述像素讀出單元3中，在一個(gè)實(shí)施例中，如圖4b所示，所述一個(gè)像素讀出單元3各對(duì)應(yīng)一個(gè)感光元件，即每個(gè)所述感光元件通過其各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件與其對(duì)應(yīng)所述像素讀出單元3相連接；在另一個(gè)實(shí)施例中，存在一個(gè)像素單元3對(duì)應(yīng)多個(gè)感光元件的情況，即共用一個(gè)所述像素讀出單元3的各該感光元件通過其各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件與其對(duì)應(yīng)的共用的像素讀出單元3相連接。需要進(jìn)一步指出的是，多個(gè)所述的像素模塊5形成像素模塊陣列6 (未圖示)，所述的像素模塊陣列6的包含像素信息的電信號(hào)經(jīng)由所述的像素讀出單元3、列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對(duì)所述包含像素信息的電信號(hào)進(jìn)行圖像處理。具體地，在本實(shí)施例一中，如圖I所示，所述像素讀出單元3位于所述的感光疊層2的一個(gè)感光層中，其中所述感光層為可見光感光層22(未在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖2c中圖示像素讀出單元3的具體結(jié)構(gòu))，所述感光疊層2的所有感光元件(PN結(jié)光電二極管212 232)共用所述像素讀出單元3，所述層疊式CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，則各該感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)各自對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351 353與所述像素讀出單元3之間通過各該感光元件對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件2111、2211及2311相連接，即所述的PN結(jié)光電二極管212對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351通過開關(guān)元件2111與所述像素讀出單元3相連接，所述的PN結(jié)光電二極管222對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)352通過開關(guān)元件2211與所述像素讀出單元3相連接，所述的PN結(jié)光電二極管232對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)353通過開關(guān)元件2311與所述像素讀出單元3相連接。所述的感光疊層2與像素讀出單元3形成一像素模塊5，進(jìn)一步，多個(gè)所述的像素模塊5形成像素模塊陣列6 (未圖示)，所述的像素模塊陣列6的包含像素信息的電信號(hào)經(jīng)由所述的像素讀出單元3、所述列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對(duì)所述包含像素信息的電信號(hào)進(jìn)行圖像處理。需要特殊說明的是，在本實(shí)施例一中，所述層疊式CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，且各該感光層的感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)共用所述像素讀出單元3，如圖I所示，所述像素讀出單元3中的各該晶體管的連接方式如下所述復(fù)位晶體管31用于本發(fā)明圖像傳感器在曝光前對(duì)所述感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)進(jìn)行復(fù)位，其中，所述的各該感光層中的各個(gè)感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)各自對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351 353與復(fù)位晶體管31之間分別通過各該開關(guān)元件2111、2211及2311相連接，且復(fù)位功能由復(fù)位信號(hào)Reset信號(hào)(圖I中的RST端點(diǎn))進(jìn)行控制。在圖I中，所述復(fù)位晶體管31為一個(gè)NMOS晶體管，由于所述層疊式CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，所述復(fù)位晶體管31的源極與各該開關(guān)元件2111、2211及2311的一端相連接，且各該開關(guān)元件2111、2211及2311的另一端與分別位于各該感光層中對(duì)應(yīng)各自感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)的浮空擴(kuò)散區(qū)(FD) 351、352及353相連接，即各該開關(guān)元件2111、2211及2311分別將所述復(fù)位晶體管31的源極與位于各該感光層中對(duì)應(yīng)各自感光元件(PN 結(jié)光電二極管212、222及232)的浮空擴(kuò)散區(qū)(FD)351、352及353相連接；所述復(fù)位晶體管31的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。所述源跟隨晶體管32借助于所述電流源單元13提供的恒定電流，使其柵源電流(Ids)保持恒定，以供保證源極電壓與柵極電壓差恒定，從而達(dá)到源電壓跟隨柵極電壓的目的，用于讀出所述感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的包含像素信息的電信號(hào)。在圖I中，所述源跟隨晶體管32為一個(gè)NMOS晶體管，由于所述層疊式CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，所述源跟隨晶體管32的柵極與所述的各該感光層中的各個(gè)感光元件(PN結(jié)光電二極管212、222及232)各自對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351、352及353分別通過各該開關(guān)元件2111、2211及2311相連接，此時(shí)所述的源跟隨晶體管32的柵極、復(fù)位晶體管31的源極均與各該開關(guān)元件2111、2211及2311的一端相連接。所述源跟隨晶體管32的漏極接所述電源Vdd，所述源跟隨晶體管32的源極為輸出包含像素信息的電信號(hào)的輸出端。所述行選擇晶體管33用于將所述源跟隨晶體管32的源極輸出的包含像素信息的電信號(hào)輸出。在圖I中，所述行選擇晶體管M3選用一 NMOS管，所述行選擇晶體管33的柵極接行選擇信號(hào)RS，所述行選擇晶體管33的漏極接所述源跟隨晶體管32的源極，所述行選擇晶體管33的源極為輸出端。
所述轉(zhuǎn)移晶體管341、342及343用于將所述PN結(jié)光電二極管212、222及232產(chǎn)生的包含像素信息的電信號(hào)通過浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351、352及353和開關(guān)元件2111、2211及2311輸入到所述的源跟隨晶體管32的柵極和復(fù)位晶體管31的源極相連接處。在實(shí)施例一中，如圖I所示，所述轉(zhuǎn)移晶體管341、342及343選用一 NMOS晶體管，所述轉(zhuǎn)移晶體管341、342及343的柵極接轉(zhuǎn)移信號(hào)TX，所述轉(zhuǎn)移晶體管341、342及343的源極(未圖示)接所述PN結(jié)光電二極管212、222及232的N型區(qū)，所述轉(zhuǎn)移晶體管341、342及343的漏極通過浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)351、352及353接源跟隨晶體管32的柵極和復(fù)位晶體管31的源極相連接處。在闡述工作原理之前，需要說明的是，由于各該開關(guān)元件均為NMOS晶體管，當(dāng)開關(guān)元件的柵極為高電平時(shí)，則開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)(即開關(guān)閉合)，當(dāng)開關(guān)元件的柵極接地時(shí)，則開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)(即開關(guān)打開)。通過開關(guān)元件2111、2211及2311選擇不同感光層的進(jìn)行包含像素信息的電信號(hào)的讀出。以只讀取紫外光感光層23的包含像素信息的電信號(hào)為例，進(jìn)行說明所述層疊式CMOS圖像傳感器的工作原理選擇自然光為光源，在曝光前，為所述開關(guān)元件2311的柵極提供高電平使其處于導(dǎo)通狀態(tài)(即開關(guān)閉合)，同時(shí)為所述的開關(guān)元件2211及2111的柵極接地使其處于斷開狀態(tài)，則位于所述紫外感光層23中對(duì)應(yīng)感光元件(PN結(jié)光電二極管232)的浮空擴(kuò)散區(qū)(FD) 353連接到所述復(fù)位晶體管31的源極；當(dāng)所述復(fù)位晶體管31的復(fù)位信號(hào)Reset為高電平時(shí)，所述復(fù)位晶體管31導(dǎo)通，則所述PN結(jié)光電二極管232通過與其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管343 (其柵極接轉(zhuǎn)移信號(hào)TX，其源極接所述PN結(jié)光電二極管232的N型區(qū)，未圖示)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)353連接到復(fù)位晶體管31的漏極電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述PN結(jié)光電二極管232反偏并會(huì)清除所述PN結(jié)光電二極管232的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。所述源跟隨晶體管32的漏極接所述電源Vdd，當(dāng)所述層疊式CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)位后，選擇自然光為光源進(jìn)行曝光，位于紫外光感光層23的感光兀件(PN結(jié)光電二極管232)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含像素信息的電信號(hào)，由于開關(guān)元件2311呈導(dǎo)通狀態(tài)(開關(guān)元件柵極接高電平)，則通過與PN結(jié)光電二極管232對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管343 (其柵極接轉(zhuǎn)移信號(hào)TX，其源極接所述PN結(jié)光電二極管232的N型區(qū)，未圖示)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)353連接到所述源跟隨晶體管32的柵極，在所述電源Vdd及電流源單元13的作用下，所述源跟隨晶體管32的源極輸出包含像素信息的電信號(hào)至所述行選擇晶體管33的漏極。所述行選擇晶體管33的柵極接行選擇信號(hào)RS，其漏極為輸入端連接所述源跟隨晶體管32的源極，其中，源極為輸出端。所述行選擇晶體管33用于將所述源跟隨晶體管32的源極輸出的包含像素信息的電信號(hào)輸出至列總線11。所述的感光疊層2的各個(gè)感光層與其共用的像素讀出單元3形成一像素模塊5，多個(gè)所述的像素模塊5形成像素模塊陣列6 (未圖示)。所述的像素模塊陣列6的各個(gè)紫外光感光層23的包含像素信息的電信號(hào)經(jīng)由所述的像素讀出單元3、所述列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對(duì)所述包含像素信息的電信號(hào)進(jìn)行圖像處理。同理，在本實(shí)施例一中，若只需讀取可見光感光層22或紅外光感光層21的包含像素信息的電信號(hào)，僅需要調(diào)整開關(guān)元件2211或2111為導(dǎo)通狀態(tài)(即開關(guān)元件柵極加高電壓)，同時(shí)開關(guān)元件2111和2311、或2211和2311為斷開狀態(tài)(即開關(guān)元件柵極接地)即可。本發(fā)明提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，采用了無濾光片的設(shè)計(jì)，降低成本的同時(shí)也避免了濾光片引起的圖像質(zhì)量變差等問題；采用層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，使所需電路結(jié)構(gòu)可以做在單獨(dú)的一層上(襯底層)，從而大大提高填充因子，進(jìn)一步提高圖像的質(zhì)量，同時(shí)，由于采用層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，使一個(gè)像素具有檢測(cè)不同波段光的能力，一次曝光可以同時(shí)獲得紫外光、可見光和紅外光等信息，可以通過一塊芯片獲得多種信息，不僅降低了成本及復(fù)雜度，而且大大提高了轉(zhuǎn)換的效率和圖像質(zhì)量。實(shí)施例二實(shí)施例二與實(shí)施例一采用基本相同的技術(shù)方案，即實(shí)施例二與實(shí)施例一提供的層疊式CMOS圖像傳感器包括的組件、組件間的相關(guān)連接方式和及其工作原理基本相同，不同之處在于實(shí)施例二中的層疊式CMOS圖像傳感器為3T型，且像素讀出單元3’位于襯底層中，感光疊層2’用于吸收三個(gè)波段光的三個(gè)感光層中，第一感光層為紅光感光層21’，第二感光層為綠光感光層22’、第三感光層為藍(lán)光感光層23’，且各該感光層均為硅(Si)材料。需要特別指出的是，不同波長的光在同一半導(dǎo)體材料中具有不同的響應(yīng)特性，半導(dǎo)體材料要吸收不同波長的光，需要不同的入射光程，波長越短，完全吸收入射光、實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換需要入射光在半導(dǎo)體內(nèi)傳輸?shù)挠行Ч獬淘蕉?，反之則越長。為了便于同時(shí)吸收不同波段的光，使本發(fā)明的圖像傳感器具有檢測(cè)不同波段光的能力，則本發(fā)明用以吸收光的所述感光疊層采用疊層結(jié)構(gòu)，由于各該感光層在感光疊層中所處的位置不同，因此當(dāng)各該感光層為同種半導(dǎo)體材料時(shí)也可以吸收不同波段的光。對(duì)可見光而言，由于藍(lán)光、綠光和紅光的波長為遞增情況，因此藍(lán)光吸收在最靠近入射面(感光疊層的表面)的區(qū)域，紅光的吸收則集中在距離入射面(感光疊層的表面)較遠(yuǎn)的內(nèi)部區(qū)域，綠光的吸收區(qū)域介于二者之間。因此，在本實(shí)施例二中，用于吸收第一波段光(紅光)的第一感光層(紅光感光層21’)層疊覆蓋在所述襯底層I上，位于感光疊層2’的最下層；用于吸收第二波段光(綠光)的第二感光層(綠光感光層22’)層疊在所述第一感光層(紅光感光層21’)上；用于吸收第三波段光(藍(lán)光)的第三感光層(藍(lán)光感光層23’ )層疊在所述第二感光層(綠光感光層22’ )上,位于感光疊層2’的最上層。本實(shí)施例二中的等效電路5與實(shí)施例一中的等效電路I基本相同。相比于實(shí)施例一中的4T型層疊式CMOS圖像傳感器，實(shí)施例二中的3T型層疊式CMOS圖像傳感器的像素讀出單元3’缺少了實(shí)施 例一中轉(zhuǎn)移晶體管(TX)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(FD);相比于實(shí)施例一中的像素讀出單元3位于實(shí)施可見光感光層22中，實(shí)施例二中的像素讀出單元3’位于襯底層I中。具體的不同之處如下
請(qǐng)參閱圖5，在本實(shí)施例二中，本發(fā)明提供的層疊式CMOS圖像傳感器為3T型，則像素讀出單元3’包括復(fù)位晶體管31’、源跟隨晶體管32’、以及行選擇晶體管33’，同時(shí)在本實(shí)施例二中，像素讀出單元位于襯底層I中，所述感光疊層2’的所有感光元件(PN結(jié)光電二極管212’、222’及232’ )共用所述像素讀出單元3’，其中，所述感光疊層2’即為一像素模塊5，。如圖5所示，在本實(shí)施例二中，位于所述紅光感光層21 ’的所述開關(guān)元件2111’連至PN結(jié)光電二極管212’的N型區(qū)；位于所述綠光感光層22’的所述開關(guān)元件2211’連至PN結(jié)光電二極管222’的N型區(qū)；位于所述藍(lán)光感光層23’的所述開關(guān)元件2311’連至PN結(jié)光電二極管232’的N型區(qū)。進(jìn)一步，如圖5所示，在本實(shí)施例二中，所述像素讀出單元3’的復(fù)位晶體管31’的源極與各該開關(guān)元件2111’、2211’及2311’的一端相連接，且各該開關(guān)元件2111’、2211’及2311’的另一端與分別位于各該感光層21’、22’、23’中各自感光元件(PN結(jié)光電二極管212’、222’及232’)的N型區(qū)相連接；所述像素讀出單元3’的源跟隨晶體管32’的柵極與所述的各該感光層中的各個(gè)感光元件(PN結(jié)光電二極管212’、222’及232’)各自的N型區(qū)分別通過各該開關(guān)元件2111’、2211’及2311’相連接，此時(shí)所述的源跟隨晶體管32’的柵極、復(fù)位晶體管31’的源極均與各該開關(guān)元件2111’、2211’及2311’的一端相連接。為進(jìn)一步闡明本發(fā)明在實(shí)施例二中的工作原理，復(fù)請(qǐng)參閱圖5，以只讀取藍(lán)光感光層23’的包含像素信息的電信號(hào)為例，進(jìn)行說明所述層疊式CMOS圖像傳感器在本實(shí)施例二中的工作原理選擇自然光為光源，在曝光前，當(dāng)所述的開關(guān)元件2311’呈導(dǎo)通狀態(tài)(開關(guān)元件柵極接高電平)且開關(guān)元件2211’及2111’呈斷開狀態(tài)(開關(guān)元件柵極接地)時(shí)，為所述復(fù)位晶體管31’的復(fù)位信號(hào)Reset提供高電平，則所述復(fù)位晶體管31’導(dǎo)通，所述PN結(jié)光電二極管232’的N型區(qū)通過復(fù)位晶體管31’連接到其漏極電源 Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述PN結(jié)光電二極管232’反偏并清除所述PN結(jié)光電二極管232’的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。所述源跟隨晶體管32’的漏極接所述電源Vdd，當(dāng)所述層疊式CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)位后，選擇自然光為光源進(jìn)行曝光，位于藍(lán)光感光層23的感光兀件(PN結(jié)光電二極管232’ )進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含像素信息的電信號(hào)，由于開關(guān)元件2311’呈導(dǎo)通狀態(tài)(開關(guān)元件柵極接高電平)，則將PN結(jié)光電二極管232’的N型區(qū)連接到所述源跟隨晶體管32’的柵極，在所述電源Vdd及電流源單元13的作用下，所述源跟隨晶體管32’的源極輸出包含像素信息的電信號(hào)至所述行選擇晶體管33’的漏極。所述行選擇晶體管33’的柵極接行選擇信號(hào)RS，其漏極為輸入端連接所述源跟隨晶體管32’的源極，其中，源極為輸出端。所述行選擇晶體管33’用于將所述源跟隨晶體管32’的源極輸出的包含像素信息的電信號(hào)輸出至列總線11。所述的感光疊層2’的各個(gè)感光層與其共用的位于襯底層I的像素讀出單元3’形成一像素模塊5’，多個(gè)所述的像素模塊5’形成像素模塊陣列6’ (未圖示)。所述的像素模塊陣列6’的各個(gè)藍(lán)光感光層23’的包含像素信息的電信號(hào)經(jīng)由所述的像素讀出單元3’、所述列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對(duì)所述包含像素信息的電信號(hào)進(jìn)行圖像處理。
同理，在本實(shí)施例二中，若只需讀取綠光感光層22’或紅光感光層21’的包含像素信息的電信號(hào)，僅需要調(diào)整開關(guān)元件2211’或2111’為導(dǎo)通狀態(tài)(即開關(guān)元件柵極加高電壓)，同時(shí)開關(guān)元件2111’和2311’、或2211’和2311’為斷開狀態(tài)(即開關(guān)元件柵極接地)即可。綜上所述，本發(fā)明提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，采用了無濾光片的設(shè)計(jì)，降低成本的同時(shí)也避免了濾光片引起的圖像質(zhì)量變差等問題；采用層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，使所需電路結(jié)構(gòu)可以做在單獨(dú)的一層上(襯底層)，從而大大提高填充因子，進(jìn)一步提高圖像的質(zhì)量，同時(shí)，由于采用層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，使一個(gè)像素具有檢測(cè)不同波段光的能力，一次曝光可以同時(shí)獲得藍(lán)光、綠光和紅光等信息，可以通過一塊芯片獲得多種信息，不僅降低了成本及復(fù)雜度，而且大大提高了轉(zhuǎn)換的效率和圖像質(zhì)量。本發(fā)明提供的層疊式CMOS圖像傳感器，可用以實(shí)現(xiàn)可見光的精準(zhǔn)成像，將紅、藍(lán)、綠光感光器件制備在位于半導(dǎo)體襯底同一區(qū)域的不同疊層上，進(jìn)一步提高了圖像傳感器的集成度。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn) 而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于，至少包括 襯底層，至少包括位于其中的列總線、放大器、用以提供恒定電流的電流源單元、及用以圖像處理的圖像處理單元，其中，所述圖像處理單元至少包括時(shí)鐘和控制電路，行、列、層解碼電路，采樣保持電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像處理器；所述放大器和電流源單元均與列總線相連； 感光疊層，層疊覆蓋所述襯底層表面，用以同時(shí)吸收不同波段的光，至少包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收各該不同波段光的多個(gè)感光層，且各該感光層中至少包括一個(gè)開關(guān)元件以及與其相連接的一個(gè)感光元件； 像素讀出單元，位于襯底層中或位于所述感光疊層中的至少一個(gè)感光層中，至少包括連接所述感光層的復(fù)位晶體管、連接所述復(fù)位晶體管及感光層的源跟隨晶體管，以及連接所述源跟隨晶體管的行選擇晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層至少包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收第一波段光的第一感光層、及層疊在所述第一感光層上的用于吸收第二波段光的第二感光層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層還包括層疊在所述第二感光層上的用于吸收第三波段光的第三感光層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述第一感光層中通過對(duì)鍺進(jìn)行摻雜形成用以吸收紅外光的鍺材料感光元件，所述第二感光層中通過對(duì)硅進(jìn)行摻雜形成用以吸收可見光的硅材料感光元件，所述第三感光層中通過對(duì)碳化硅進(jìn)行摻雜形成用以吸收紫外光的碳化硅材料感光元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于各該感光層的材料為禁帶寬度與所需吸收的光子能量相匹配半導(dǎo)體材料，分別選自碳化硅、硅、鍺、或鍺硅，或分別選自經(jīng)摻雜的碳化硅、硅、鍺、或鍺硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層中的各該感光層為同種半導(dǎo)體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述的襯底層與感光疊層之間具有絕緣層、或/及所述感光疊層中各感光層之間具有絕緣層。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層中的感光層為由多個(gè)感光子層組成的復(fù)合感光層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于各該感光子層之間具有絕緣層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層的各該感光兀件為PN結(jié)光電二極管、針扎式光電二極管、或光電門中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述像素讀出單元位于所述的感光疊層的一個(gè)感光層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，且各該感光元件與所述像素讀出單元之間通過各該感光元件對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件連接，其中，所述的感光疊層與像素讀出單元形成一像素模塊。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于多個(gè)所述像素讀出單元分別位于所述的感光疊層的多個(gè)感光層中，所述感光疊層的所有感光元件對(duì)應(yīng)所述的多個(gè)像素讀出單元，且所述的感光疊層的每個(gè)感光元件通過其各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)開關(guān)元件只與一個(gè)所述像素讀出單元連接，其中，所述的感光疊層與多個(gè)所述像素讀出單元形成一像素模塊。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的層疊式CMOS圖像傳感器，其特征在于所述的像素讀出單元位于襯底層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，其中，所述感光疊層即為一像素模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，至少包括襯底層、層疊覆蓋在襯底層上的感光疊層、以及像素讀出單元，其中，列總線、放大器、電流源單元、及圖像處理單元位于襯底層中；感光疊層包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收不同波段光的多個(gè)感光層，且各該感光層中至少包括一個(gè)開關(guān)元件以及與其相連接的一個(gè)感光元件；像素讀出單元位于襯底層中或位于感光疊層中的至少一個(gè)感光層中。本發(fā)明采用無濾光片的層疊式結(jié)構(gòu)的感光疊層，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)像素具有檢測(cè)不同波段光的能力，不僅降低了成本及復(fù)雜度，而且大大提高了圖像傳感器的轉(zhuǎn)換效率、圖像質(zhì)量和集成度。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102623475SQ20121011297
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者孫濤, 方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂, 陳杰 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院