CN110112156B - 一种像素结构、cmos图像传感器和终端 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种像素结构，其中，该像素结构包括滤光片、光电二极管和读出电路，其中，滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光，光电二极管放置于滤光片中背对入射光的表面的一侧，光电二极管的光接收面与滤光片中背对入射光的表面相对放置，光电二极管用于当像素结构中呈正方形光接收面的边长小于特定波长时，根据光电二极管的光接收面的共振波长，对接收到特定波长进行吸收，并将吸收到的光转换为电信号，读出电路与光电二极管的负极相连接，用于读出电信号。本申请实施例还同时提供了一种CMOS图像传感器和终端。

Description

一种像素结构、CMOS图像传感器和终端
技术领域
本申请涉及终端中互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器的像素结构对光的吸收技术，尤其涉及一种像素结构、CMOS图像传感器和终端。
背景技术
CMOS图像传感器因其制造成本低和功耗低而广泛应用于摄影摄像的产品中，针对CMOS图像传感器来说，较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸已经成为CMOS图像传感器的发展趋势。
目前，传统的像素结构的像素尺寸大约为800nm，但是，当像素尺寸缩小至低于自然光的波长，例如，像素尺寸低于200nm时，像素结构中光电二极管对光的吸收率急剧下降，导致吸收率很低，这样，不利于CMOS图像传感器的成像；由此可以看出，现有的小尺寸像素结构存在对光的吸收率很低的技术问题。
发明内容
本申请实施例期望提供一种像素结构、CMOS图像传感器和终端，旨在提高小尺寸像素结构对光的吸收率。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供了一种像素结构，所述像素结构包括滤光片、光电二极管和读出电路；其中，
所述滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光；
所述光电二极管放置于所述滤光片中背对所述入射光的表面的一侧，所述光电二极管的光接收面与所述滤光片中背对所述入射光的表面相对放置，所述光电二极管用于当所述像素结构中呈正方形光接收面的边长小于所述特定波长时，根据所述光电二极管的光接收面的共振波长，对所述特定波长进行吸收，并将吸收到的光转换为电信号；其中，所述共振波长为所述光电二极管的光接收面发生共振吸收时的波长；
所述读出电路与所述光电二极管的负极相连接，用于读出所述电信号。
在上述像素结构中，所述特定波长在所述共振波长的范围之内。
在上述像素结构中，所述特定波长包括以下任意一项：红光波长，黄光波长，蓝光波长。
在上述像素结构中，所述光电二极管的光接收面的面积小于所述像素结构中呈正方形光接收面的面积。
在上述像素结构中，所述光电二极管的光接收面的形状包括以下任意一项：圆形、正方形、三角形、五边形和六边形。
在上述像素结构中，所述光电二极管的形状为圆柱体；其中，所述光电二极管的光接收面为所述圆柱体的其中一个圆形底面。
在上述像素结构中，当所述光电二极管的光接收面为圆形时，所述光电二极管的光接收面的共振波长与所述圆形的直径呈正相关性。
在上述像素结构中，当所述特定波长为蓝光波长，且所述像素结构中呈正方形光接收面的边长为100nm时，所述光电二极管的圆形光接收面的直径为70nm。
本申请实施例还提供了一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括上述一个或多个实施例所述的像素结构。
本申请实施例还提供了一种终端，所述终端包括上述实施例所述的CMOS图像传感器。
本申请实施例提供了一种像素结构、CMOS图像传感器和终端，该像素结构包括滤光片、光电二极管和读出电路，其中，滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光，光电二极管放置于滤光片中背对入射光的表面的一侧，光电二极管的光接收面与滤光片中背对入射光的表面相对放置，光电二极管用于当像素结构中呈正方形光接收面的边长小于特定波长时，根据光电二极管的光接收面的共振波长，对特定波长进行吸收，并将吸收到的光转换为电信号，其中，共振波长为光电二极管的光接收面发生共振吸收时的波长，读出电路与光电二极管的负极相连接，用于读出电信号；也就是说，在本申请实施例中，经过滤光片过滤得到单色光后，在像素结构尺寸小于该单色光波长时，利用光电二极管的光接收面的共振波长实现对单色光的吸收，这样，只需要调整光电二极管的光接收面的共振波长，使得单色光能够通过共振吸收的方式被光电二极管吸收，从而避免了由于像素结构较小导致的低吸收率，提高了小尺寸像素结构对光的吸收率，进而有利于光的成像。
附图说明
图1为像素结构的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种可选的像素结构的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种可选的像素结构的俯视图；
图4为本申请实施例提供的一种可选的圆柱体的光电二极管的吸收谱线图；
图5为本申请实施例提供的一种可选的具有圆形光接收面的光电二极管的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的与图5对应的特定波长的光的偏振方向的排布示意图；
图7为本申请实施例提供的一种可选的具有正方形光接收面的光电二极管的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种可选的具有正方形光接收面的光电二极管的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种可选的CMOS图像传感器的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种可选的终端的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
本申请实施例提供了一种像素结构。
目前，在实际应用中，像素结构作为CMOS图像传感器的重要组成部分，能够完成对接收到的自然光进行光电转换，从而得到电信号，然而，像素结构的像素尺寸大约为800nm左右时，像素结构对自然光的吸收率能够满足要求，但是，当像素结构的像素尺寸大约为200nm时，该像素结构对自然光的吸收率极低，从而影响CMOS图像传感器的成像。
具体来说，图1为像素结构的结构示意图，参考图1所示，传统的像素结构一般由三部分组成，分别是滤光片、光电二极管和金属排线，其中，光电二极管放置于滤光片中背对入射光的表面的一侧，并且，一般地采用CMOS工艺制作出的光电二极管呈长方体状，且光电二极管的光接收面与滤光片中背对入射光的表面相对放置，光电二极管的光接收面与滤光片基本等大同形，且光电二极管的光接收面为光电二极管的正极，光电二极管的负极位于光电二极管的下表面，且光电二极管的负极与金属排线相连接，使得金属排线能够将电信号读出。
在图1中，滤光片用于对自然光进行过滤，从而过滤出单色光，然后，当像素结构呈正方形光接收面的边长(相当于上述像素尺寸)大于等于单色光的波长时，光电二极管能够对单色光吸收，并将吸收到的光转换为电信号，利用金属排线读出，从而实现对光的成像。
但是，当像素结构中呈正方形光接收面的边长小于单色光的波长时，自然光射入滤光片，经过过滤之后，由于单色光的波长大于像素结构的边长会被衍射掉，从而无法吸收光，使得CMOS图像传感器无法成像。
为了提高小尺寸像素结构对光的吸收率，本申请实施例提供了一种像素结构，图2为本申请实施例提供的一种可选的像素结构的结构示意图，参考图2所示，该像素结构可以包括滤光片21、光电二极管22和读出电路23；其中，
滤光片21用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光；
光电二极管22放置于滤光片21中背对入射光的表面的一侧，光电二极管22的光接收面与滤光片21中背对入射光的表面相对放置，光电二极管22用于当像素结构中呈正方形光接收面的边长小于特定波长时，根据光电二极管22的光接收面的共振波长，对特定波长进行吸收，并将吸收到的光转换为电信号；
读出电路23与光电二极管22的负极相连接，用于读出电信号。
其中，共振波长为光电二极管22的光接收面发生共振吸收时的波长。
具体来说，在滤光片对自然光进行过滤之后，得到特定波长的光，当像素结构中呈正方形光接收面的边长小于特定波长时，为了防止特定波长被衍射掉，这里，利用光电二极管的光接收面的共振吸收特性，使得光电二极管根据其光接收面的共振波长对特定波长进行吸收。
其中，光电二极管的光接收面的共振波长与光电二极管的光接收面的折射率和光电二极管的光接收面的尺寸有关，所以，可以通过调整光电二极管的光接收面的折射率，和/或，调整光电二极管的光接收面的尺寸，来调整光电二极管的光接收面的共振波长。
通常，通过调整光电二极管的光接收面的尺寸来调整光电二极管的光接收面的共振波长，以使得特定波长在光电二极管的光接收面的共振波长的范围之内，从而使得光电二极管的光接收面对特定波长的光实现共振吸收。
也就是说，在本申请实施例中，利用光电二极管的光接收面共振吸收的特性，使得光电二极管能够与特定波长的光发生共振吸收，从而提高了小尺寸像素结构对光的吸收率。
为了提高对特定波长的光的吸收率，在一种可选的实施例中，特定波长在共振波长的范围之内。
这里，特定波长可以为一个波长范围，例如，蓝光波长，由于光电二极管的光接收面共振波长与光接收面的形状有关，不同的形状的光接收面的共振波长可以是一个波长范围，其中，可以是特定波长的一部分位于共振波长的范围之内，也可以是特定波长全部在共振波长的范围之内，需要说明的是，在特定波长的光中，能够实现共振吸收的光越多，吸收率越高。
针对上述特定波长来说，在一种可选的实施例中，特定波长的光包括以下任意一项：红光波长，黄光波长，蓝光波长。
在实际应用中，特定波长可以为可见光的任意波长。
其中，上述滤光片可以是用于过滤红光的红色滤光片，也可以是用于过滤黄光的黄色滤光片，还可以是用于过滤蓝光的蓝色滤光片，这里，本申请实施例不作具体限定。
为了使得特定波长在共振波长的范围之内，在一种可选的实施例中，光电二极管的光接收面的面积小于像素结构中呈正方形光接收面的面积。
具体来说，在传统的像素结构中，光电二极管的光接收面与滤光片基本等大同形，然而，针对小尺寸像素结构来说采用传统的光电二极管的结构，对光的吸收率极低，为了提高光吸收率，可以通过调整光电二极管的光接收面的共振波长的方式，这里，主要是缩小光电二极管的光接收面的面积，通过缩小光电二极管的光接收面的面积，使得入射到光电二极管的光接收面上的特定波长的光被共振吸收。
其中，光电二极管的光接收面的形状包括以下任意一项：圆形、正方形、三角形、五边形和六边形。
也就是说，光电二极管的光接收面可以为有规则的形状，例如，正多边形，也可以为无规则的形状，这里，本申请实施例不作具体限定。
针对光电二极管的光接收面为规则形状，可以为圆形和正方形等等形状，图3为本申请实施例提供的一种可选的像素结构的俯视图，参考图3所示，***的正方形为像素结构的光接收面，为了调整光电二极管的光接收面的共振波长，将光电二极管的光接收面制作成圆形，通过调整圆形的直径来调整光电二极管的光接收面的共振波长。
为了减小光电二极管之间的耦合，在一种可选的实施例中，光电二极管为圆柱体；
其中，光电二极管的光接收面为圆柱体的其中一个圆形底面。
也就是说，在制作CMOS图像传感器时，需要将每个像素结构中的光电二极管与相邻像素结构的光电二极管之间留有间隔，由于光电二极管发生共振吸收时会使得边缘场很强，增加间隔是为了防止相邻像素结构的光电二极管之间光的相互串扰。所以，在实际应用中，在工艺上采用圆柱体的结构不仅可以实现对光的共振吸收，还可以更好的控制相邻两个光电二极管的间隔。
图4为本申请实施例提供的一种可选的圆柱体的光电二极管的吸收谱线图，如图4所示，横坐标为吸收波长，纵坐标为吸收率，圆柱的不同底面半径对应不同的吸收谱线，其中，如图4中半径r＝30nm(图4中的短虚线)，r＝35nm(图4中的长短相间的虚线)，r＝40nm(图4中的实线)和r＝45nm(图4中的点线相间的虚线)，还包括传统的光电二极管的结构对应的吸收谱线(图4中的长虚线)；图4中的模拟是基于线偏振光的模拟。
为了更好地调整光电二极管的光接收面的共振波长，在一种可选的实施例中，当光电二极管的光接收面为圆形时，光电二极管的光接收面的共振波长与圆形的直径呈正相关性。
具体来说，针对光电二极管的光接收面为圆形来说，图5为本申请实施例提供的一种可选的具有圆形光接收面的光电二极管的结构示意图，如图5所示，光电二极管的光接收面为圆形；图6为本申请实施例提供的与图5对应的特定波长的光的偏振方向的排布示意图，如图6所示，由于自然观是没有偏振的，或者说各个方向上的偏振都有，所以，针对圆形光接收面的光电二极管来说，各个方向是同性的，所以，圆形光接收面的光电二极管与普通的光的吸收一样。
另外，针对光电二极管的光接收面为正方形来说，图7为本申请实施例提供的一种可选的具有正方形光接收面的光电二极管的结构示意图，如图7所示，光电二极管的光接收面为正方形；假设针对像素结构中呈正方形光接收面的边长确定为100nm，光电二极管的呈正方形的光接收面的边长为70nm，针对平行于正方形边长的偏振的光(图7中的带双箭头的直线所示)来说，其共振位置与直径70nm的圆形应该是差不多的。
图8为本申请实施例提供的另一种可选的具有正方形光接收面的光电二极管的结构示意图，如图8所示，当光的偏振沿着对角线方向(图8中的带双箭头的直线所示)时，其对角线长度约100nm，对应的共振位置发生红移，最大的吸收位置往长波长移动(类似于图4中改变圆柱底面的直径造成的吸收峰红移)，当自然光照上去的时候，其最终的吸收应该是类似于等效为从r＝35nm到r＝45nm吸收的叠加状态，相比于原来的谱线会展宽，原来的吸收峰半峰宽可能在50nm左右，而正方形对自然光的吸收峰可能拓宽到了100nm。不过在有滤光片的情况下，这种是不影响的。
针对圆形光接收面的光电二极管，共振波长＝光电二极管的光接收面的折射率×圆形直径+常数，其中，该常数是与光电二极管的结构有关的一个常数。
为了使得光电二极管更好地实现共振吸收，在一种可选的实施例中，当特定波长为蓝光波长，且像素结构中呈正方形光接收面的边长为100nm时，光电二极管的圆形光接收面的直径为70nm。
在实际应用中，若确定像素结构中呈正方形光接收面的边长确定为100nm，为了使得蓝光的波长在共振波长的范围之内，可以将光电二极管的圆形光接收面的直径设置为70nm，从而使得制造出的小尺寸像素结构能够较好的吸收光，进而更好的成像。
在一实例中，像素结构中呈正方形光接收面的边长确定为100nm，采用圆柱体的光电二极管结构，圆柱底面的直径采用70nm可以吸收95％的蓝光，从而可以实现蓝光单色光成像。
本申请实施例提供了一种像素结构，该像素结构包括滤光片、光电二极管和读出电路，其中，滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光，所述光电二极管放置于所述滤光片中背对所述入射光的表面的一侧，光电二极管的光接收面与滤光片中背对入射光的表面相对放置，光电二极管用于当像素结构中呈正方形光接收面的边长小于特定波长时，根据光电二极管的光接收面的共振波长，对特定波长进行吸收，并将吸收到的光转换为电信号，其中，共振波长为光电二极管的光接收面发生共振吸收时的波长，读出电路与光电二极管的负极相连接，用于读出电信号；也就是说，在本申请实施例中，经过滤光片过滤得到单色光后，在像素结构尺寸小于该单色光波长时，利用光电二极管的光接收面的共振波长实现对单色光的吸收，这样，只需要调整光电二极管的光接收面的共振波长，使得单色光能够通过共振吸收的方式被光电二极管吸收，从而避免了由于像素结构较小导致的低吸收率，提高了小尺寸像素结构对光的吸收率，进而有利于光的成像。
实施例二
图9为本申请实施例提供的一种可选的CMOS图像传感器的结构示意图，如图9所示，本申请实施例提供了一种CMOS图像传感器900，CMOS图像传感器900包括上述一个或多个实施例所述的像素结构。
图10为本申请实施例提供的一种可选的终端的结构示意图，如图10所示，本申请实施例提供了一种终端1000，终端1000包括上述实施例所述的CMOS图像传感器。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种像素结构，其特征在于，所述像素结构包括滤光片、光电二极管和读出电路；其中，
所述滤光片用于对接收到的入射光进行过滤，得到特定波长的光；
所述光电二极管放置于所述滤光片中背对所述入射光的表面的一侧，所述光电二极管的光接收面与所述滤光片中背对所述入射光的表面相对放置，所述光电二极管用于当所述像素结构中呈正方形光接收面的边长小于所述特定波长时，根据所述光电二极管的光接收面的共振波长，对所述特定波长进行吸收，并将吸收到的光转换为电信号；其中，所述共振波长为所述光电二极管的光接收面发生共振吸收时的波长；
所述读出电路与所述光电二极管的负极相连接，用于读出所述电信号。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述特定波长在所述共振波长的范围之内。
3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述特定波长包括以下任意一项：红光波长，黄光波长，蓝光波长。
4.根据权利要求3所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管的光接收面的面积小于所述像素结构中呈正方形光接收面的面积。
5.根据权利要求4所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管的光接收面的形状包括以下任意一项：圆形、正方形、三角形、五边形和六边形。
6.根据权利要求5所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管的形状为圆柱体；其中，所述光电二极管的光接收面为所述圆柱体的其中一个圆形底面。
7.根据权利要求5或6所述的像素结构，其特征在于，当所述光电二极管的光接收面为圆形时，所述光电二极管的光接收面的共振波长与所述圆形的直径呈正相关性。
8.根据权利要求5或6所述的像素结构，其特征在于，当所述特定波长为蓝光波长，且所述像素结构中呈正方形光接收面的边长为100nm时，所述光电二极管的圆形光接收面的直径为70nm。
9.一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括上述权利要求1至8中任一项所述的像素结构。
10.一种终端，其特征在于，所述终端包括上述权利要求9中所述的CMOS图像传感器。
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