[發明專利]層疊式CMOS圖像傳感器

有效

• 申請號: 201210112977.3
• 申請日: 2012-04-17
• 公開（公告）號: CN102623475A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 孫濤;汪輝;方娜;田犁;苗田樂;陳杰
• 申請（專利權）人: 上海中科高等研究院
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉及一種CMOS圖像傳感器，特別是涉及一種層疊式CMOS圖像傳感器，屬于半導體技術領域。

背景技術

眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學圖像轉換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷耦合元件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器一般由感光元件和CMOS信號處理電路構成。目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，根據其包括的晶體管的數目主要劃分為包括復位晶體管(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)和包括復位晶體管(RST)、源跟隨晶體管(SF)、行選擇晶體管(RS)和轉移晶體管(Transfer?Transistor，TX)的四管圖像傳感器(4T型)兩大類。

一方面，現有的CMOS圖像傳感器檢測可見光時，通常先使用紅、綠、藍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)檢測相應顏色的光。這種被廣泛用于檢測自然光的帶有紅、綠、藍三種顏色濾光片的圖像傳感器至少存在以下缺點：首先，由于一個像素點是由三個或更多個圖像傳感器組成，造成圖像傳感器面積較大，因而不可避免的會導致圖像質量變差；其次，濾光片本身的性能會隨著溫度的變化和時間的推移而改變，進而影響成像的質量；最后，由于要使用濾光片，因此導致成本的增加。盡管目前的棱鏡分光3CCD技術可以解決上述問題，但其帶來的成本的增加也是相當巨大的。

另一方面，現有的CMOS圖像傳感器對于紫外光、可見光、紅外光的檢測通常都是分別進行的，并沒有一種可以同時檢測幾種不同波段光的圖像傳感器。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種層疊式CMOS圖像傳感器，用于解決現有技術中檢測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致圖像質量變差、以及增加圖像傳感器成本的問題，還用于解決現有技術中需要使用不同的圖像傳感器來實現紫外光、可見光、紅外光檢測的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種層疊式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鐘和控制電路，行、列、層解碼電路，采樣保持電路，模數轉換器，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感光層，且各該感光層中至少包括一個開關元件以及與其相連接的一個感光元件；

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感光層中，至少包括連接所述感光層的復位晶體管、連接所述復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。

可選地，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。

可選地，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。

可選地，所述第一感光層中通過對鍺進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硅進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碳化硅進行摻雜形成用以吸收紫外光的碳化硅材料感光元件。

可選地，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體材料，分別選自碳化硅、硅、鍺、或鍺硅，或分別選自經摻雜的碳化硅、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感光子層組成的復合感光層。

可選地，各該感光子層之間具有絕緣層。

可選地，所述感光疊層的各該感光元件為PN結光電二極管、針扎式光電二極管、或光電門中的至少一種。