輸出彩色圖像的像素陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器的像素單元。該輸出彩色圖像的像素陣列，其可以包括若干個像素，每個像素從上到下依次包括一濾鏡、一感光單元，根據(jù)濾鏡可還原顏色的不同，給每個像素設置具有相應不同曝光性能的感光單元。該輸出彩色圖像的像素陣列，也可以給一部分像素設置具有一曝光相應性能的感光單元，另外一部分像素設置具有另一曝光相應性能的感光單元。本發(fā)明中，通過給像素陣列中不同的像素配置不同類型的感光單元，獲得一致的曝光響應曲線，提高像素陣列的動態(tài)范圍以及避免顏色失真。
【專利說明】輸出彩色圖像的像素陣列
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路領域，具體地說，涉及一種輸出彩色圖像的像素陣列。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器在民用和商業(yè)范疇內得到了廣泛的應用。目前，圖像傳感器由CMOS圖像傳感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下簡稱CIS)和電荷耦合圖像傳感器(Charge-coupledDevice,以下簡稱(XD)。CXD與CIS相比來說，功耗較高、集成難度較大，而后者功耗低、易集成且分辨率較高。雖然說，在圖像質量方面CCD可能會優(yōu)于CIS。但是，隨著CIS技術的不斷提高，一部分CIS的圖像質量已經(jīng)接近于同規(guī)格的(XD。
[0003] 圖1為現(xiàn)有技術中CIS的像素陣列的平面示意圖。圖2為圖1中第一行像素的剖視圖。如圖1和圖2所示，該像素陣列為bayer模式，顏色濾鏡的排列模式為=RGRGRG…；GBGBGB…；……。每個像素位置上對應的感光二極管PD為同一類型。從圖1所示看出，圖
2中第一行的像素從左到右依次為紅色濾鏡、綠色濾鏡、紅色濾鏡、綠色濾鏡.....；像素陣
列從上到下分為三層，上層為濾鏡層101，中層為氧化硅材料層102，該氧化硅材料層102中設置有金屬層103，下層為硅材料層104，該硅材料層104中設置有感光二極管105。圖中示
意出了從左到右依次為紅色濾鏡、綠色濾鏡、紅色濾鏡、綠色濾鏡.....；且每一濾鏡111與
微透鏡層106中的微透鏡116是一一對應的，一個微透鏡116對應一個光通道及一個感光二極管105。微透鏡116用于聚集光線，聚焦的光線經(jīng)過濾鏡111經(jīng)由光通道到達下層的感光二極管105。金屬層103即Ml~M4之間電連接，用來傳遞電信號，相鄰金屬層之間留有光通道。
[0004]由上可見，輸出彩色圖像的CIS —般采用Bayer模式的Color Filter實現(xiàn)顏色還原。雖然有源像素active pixel配置的顏色濾鏡有RGB三種顏色,但每個像素使用的感光二極管H)為同一種類型。另外，由于感光二極管H)通常使用主要材料硅Si，其對不同波長的可見光的吸收率不同，使得同一類型的感光二極管ro對于不同波長的曝光響應曲線也不同。因此，輸出彩色圖像的CIS的動態(tài)范圍受限于其感光二極管ro對于三元色RGB或CMY各單色光的曝光響應特性，遠遠低于灰度CIS的動態(tài)范圍。另外，輸出彩色圖像CIS像素陣列中RGB三色曝光響應的完全不同，導致輸出圖像出現(xiàn)大面積的顏色失真。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種輸出彩色圖像的像素陣列，用以部分或全部克服、部分或全部解決現(xiàn)有技術存在的上述技術問題。
[0006]為了部分或全部克服、部分或全部解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種輸出彩色圖像的像素陣列，其包括若干個像素，每個像素從上到下依次包括一濾鏡、一感光單元，根據(jù)濾鏡可還原顏色的不同，給每個像素設置具有相應不同曝光性能的感光單元。
[0007]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，若干個像素基于BAYER模式進行排列，具有同一還原顏色能力的濾鏡配置有具有同一曝光性能的感光單元。[0008]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，不同像素具有同樣大小的曝光量。
[0009]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，若干個像素基于RGB三原色或者CMY三原色。
[0010]為了部分或全部克服、部分或全部解決上述技術問題，本發(fā)明還提供了一種輸出彩色圖像的像素陣列，其包括若干個像素，每個像素從上到下依次包括一濾鏡、一感光單元，若干個像素中，一部分像素設置具有一曝光相應性能的感光單元，另外一部分像素設置具有另一曝光相應性能的感光單元。
[0011]為了部分或全部克服、部分或全部解決上述技術問題，本發(fā)明還提供了一種輸出彩色圖像的CMOS圖像傳感器，其包括上述任意所述的像素陣列。
[0012]與現(xiàn)有的方案相比，本發(fā)明中通過給像素陣列中不同的像素配置不同類型的感光單元，獲得一致的曝光響應曲線，提高像素陣列的動態(tài)范圍以及避免顏色失真。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術中CIS的像素陣列的平面示意圖；
[0014]圖2為圖1中RGRG像素的剖視圖；
[0015]圖3為本發(fā)明實施例一中輸出彩色圖像CIS的像素陣列的平面示意圖；
[0016]圖4為圖3中RGRG行像素的剖視圖；
[0017]圖5為圖3中GBGB行像素的剖視圖；
[0018]圖6為現(xiàn)有技術中未配置濾鏡的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖；
[0019]圖7為現(xiàn)有技術中配置濾鏡但未進行感光單元工藝優(yōu)化的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖；
[0020]圖8為現(xiàn)有技術中配置濾鏡且進行感光單元工藝優(yōu)化的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖；
[0021]圖9-圖11為上述圖4-圖5中配置濾鏡且采用三種不同類型感光單元的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖；
[0022]圖12為本發(fā)明實施例三中像素陣列的平面示意圖；
[0023]圖13為本發(fā)明實施例四中像素陣列的平面示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，藉此對本發(fā)明如何應用技術手段來解決技術問題并達成技術功效的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。
[0025]本發(fā)明的下述實施例中，通過給像素陣列中不同的像素配置不同類型的感光單元，獲得一致的曝光響應曲線，提高像素陣列的動態(tài)范圍以及避免顏色失真。
[0026]圖3為本發(fā)明實施例一中輸出彩色圖像CIS的像素陣列的平面示意圖。如圖3所示，本實施例中，以BAYER模式進行說明，該像素陣列包括若干個像素，這些像素的排列方
式為 RGRGRG....;隔行為 GBGB....；....RGRGRG....;隔行為 GBGB....；.......。，圖 3 雖
然與圖1從平面示意圖上看，沒有區(qū)別，后續(xù)將通過剖面圖說明兩者的不同。
[0027]本實施例中，由于基于RGB三原色形成的像素陣列，包括紅色R像素、綠色G像素和藍色B像素，與圖1不同的是，具有同一還原顏色能力的濾鏡配置有具有同一曝光性能的感光單元，這些不同像素可以具有同樣大小的曝光量，以獲得相同數(shù)量級別的動態(tài)范圍。比如為所有紅色R像素配置第一類型的感光單元，為所有綠色G像素配置第二類型的感光單元，為所有藍色B像素配置第三類型的感光單元。換言之，整個像素陣列共有三種不同類型的感光單元，具有三種不同的曝光性能。
[0028]圖4為圖3中RGRG行像素的剖視圖，圖5為圖3中GBGB行像素的剖視圖。如圖4和圖5所示，每個像素從上到下依次包括一濾鏡401、一感光單元405，根據(jù)濾鏡401可還原顏色的不同，給每個像素設置具有相應不同曝光性能的感光單元405。感光單元405設置在硅材料層404中。
[0029]本實施例中，如圖4和圖5所示，為所有紅色R像素配置第一類型的感光單元415，為所有綠色G像素配置第二類型的感光單元425，為所有藍色B像素配置第三類型的感光單元 435。
[0030]在上述實施例中，每個像素還可以包括金屬層403和微透鏡406，其與濾鏡401、感光單元405的位置關系可參見上述圖1，在此不再贅述。
[0031]以下對本實施例的動態(tài)性能結合現(xiàn)有技術進行說明。圖6-圖9中，X-軸表示曝光時間，y-軸表示像素值。
[0032]圖6為現(xiàn)有技術中未配置濾鏡的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖。X-軸表示曝光時間，y_軸表示像素值。圖6中，如圖6所示，由于感光單元H)沒有配置Color Filter，其紅色曝光響應曲線A敏感度Sensitivity最大，綠色曝光響應曲線B敏感度Sensitivity其次，藍色曝光響應曲線C敏感度Sensitivity最小。
[0033]各個波長下敏感度Sensitivity之間的不同，與感光單元F1D的娃Si材料直接相關。由于硅Si對較短波長的可見光吸收率較大，使得長波長的紅光穿透能力相對較強，同時也具有相對高的敏感度Sensitivity,也就具有相對較低的動態(tài)范圍Dynamic Range。
[0034]從圖6可知，三條不同顏色響應曲線的線性部分，在x-軸向的交集幾乎沒有，像素陣列的動態(tài)范圍極小。
[0035]圖7為現(xiàn)有技術中配置濾鏡但未進行感光單元工藝優(yōu)化的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖。由于感光單元H)配置了濾鏡Color Filter，其綠色曝光響應曲線B敏感度Sensitivity最大,紅色曝光響應曲線A敏感度Sensitivity其次,藍色曝光響應曲線C敏感度Sensitivity最小。
[0036]此時各像素的曝光響應曲線不單和H)的材料特性有關，也和濾鏡ColorFilter的濾色特性相關。此種情況下，像素陣列的動態(tài)范圍受限于綠色響應曲線的動態(tài)范圍，為η個stops的曝光量。
[0037]圖8為現(xiàn)有技術中配置濾鏡且進行感光單元工藝優(yōu)化的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖。感光單元H)配置了 Color Filter，并且進行了感光單元H)工藝的優(yōu)化。和圖7相比較，對應像素的三條曝光響應曲線在一致性上有了明顯的提高。綠色和紅色曝光響應曲線向藍色曝光響應曲線貼近，像素陣列的動態(tài)范圍提升為2n個stops的曝光量。
[0038]圖9-圖11為上述圖4-圖5中配置濾鏡且采用三種不同類型感光單元的像素陣列的動態(tài)范圍曲線圖。對于第三類型的感光單元435，針對藍色曝光響應曲線C優(yōu)化，獲得3n個stops曝光量的動態(tài)范圍；對于第一類型的感光單元415,針對紅色曝光響應曲線A優(yōu)化，獲得3n個stops曝光量的動態(tài)范圍。對于第二類型的感光單元425,針對綠色曝光響應曲線B優(yōu)化,獲得3n個stops曝光量的動態(tài)范圍；[0039]因此，使用三種不同類型的感光單元作為有源像素的組成，使像素陣列獲得3ηstops動態(tài)范圍的同時，較為寬松感光單元ro工藝就能夠保證RGB三色的曝光響應曲線進
行一致。
[0040]圖12為本發(fā)明實施例三中像素陣列的平面示意圖，如圖12所示，本實施例中，與上述圖3不同的是，為所有紅色R像素配置第二類型的感光單元425，為所有綠色G像素配置第二類型的感光單元425，為所有藍色B像素配置第一類型的感光單元415。換言之，整個像素陣列共有兩種不同類型的感光單元，具有兩種不同的曝光性能。
[0041]圖13為本發(fā)明實施例四中像素陣列的平面示意圖，如圖13所示，本實施例中，與上述圖3不同的是，為所有藍色B像素和紅色R像素配置第三類型的感光單元435，為所有綠色G像素配置第二類型的感光單元425，即為具有同一還原顏色能力的濾鏡配置有具有同一曝光性能的感光單元。換言之，整個像素陣列共有兩種不同類型的感光單元，具有兩種不同的曝光性能。
[0042]圖12-圖13像素陣列的剖視結構可參見上述圖4-圖5，在此不再贅述。
[0043]圖12-圖13像素陣列與上述圖3中的像素陣列相比，工藝的開發(fā)周期較短、成本較低。
[0044]需要說明的是，在上述圖12或圖13中的像素陣列，實際上采用了兩種不同類型而不是三種不同類型的感光單元，使一部分像素設置具有一曝光相應性能的感光單元，另外一部分像素設置具有另一曝光相應性能的感光單元。不同像素具有同樣大小的曝光量。
[0045]本發(fā)明其他實施例還提供了一種輸出彩色圖像CIS，包括權利要求上述圖3所示的像素陣列。
[0046]本發(fā)明其他實施例還提供了一種輸出彩色圖像CIS，包括圖12或圖13中的像素陣列。
[0047]上述輸出彩色圖像CMOS圖像傳感器CIS的詳細結構示意圖，本領域普通技術人員根據(jù)本發(fā)明實施例其他部分的記載，無須創(chuàng)造性勞動即可得知，在此不再贅述。
[0048]需要說明的是，上述實施例雖然示例性的以RGB三原色構建了像素陣列，但是對于本領域的普通技術人員來說，在本發(fā)明實施例的其發(fā)現(xiàn)無須創(chuàng)造性勞動，也可以以CMY三原色構建像素陣列，在此不再贅述。
[0049]上述說明示出并描述了本發(fā)明的若干優(yōu)選實施例，但如前所述，應當理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應在本發(fā)明所附權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種輸出彩色圖像的像素陣列，其特征在于，包括若干個像素，每個像素從上到下依次包括一濾鏡、一感光單元，根據(jù)濾鏡可還原顏色的不同，給每個像素設置具有相應不同曝光性能的感光單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，若干個像素基于BAYER模式進行排列，具有同一還原顏色能力的濾鏡配置有具有同一曝光性能的感光單元。
3.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，不同像素具有同樣大小的曝光量。
4.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其特征在于，若干個像素基于RGB三原色或者CMY三原色。
5.一種輸出彩色圖像的像素陣列，其特征在于，包括若干個像素，每個像素從上到下依次包括一濾鏡、一感光單元，若干個像素中，一部分像素設置具有一曝光相應性能的感光單元，另外一部分像素設置具有另一曝光相應性能的感光單元。
6.根據(jù)權利要求5所述的像素陣列，其特征在于，若干個像素基于BAYER模式進行排列，具有同一還原顏色能力的濾鏡配置有具有同一曝光性能的感光單元。
7.根據(jù)權利要求5所述的像素陣列，其特征在于，不同像素具有同樣大小的曝光量。
8.根據(jù)權利要求5所述的像素陣列，其特征在于，若干個像素基于RGB三原色或者CMY三原色。
9.一種輸出彩色圖像的CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括權利要求1-4任意所述的像素陣列。
10.一種輸出彩色圖像的CMOS圖像傳感，其特征在于，包括權利要求5-8任意所述的像素陣列。
【文檔編號】H01L27/146GK103531602SQ201310525060
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權日:2013年10月30日
【發(fā)明者】陳嘉胤 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司