CN110536084A - 叠层互补金属氧化物半导体图像传感器及图像处理方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器及图像处理方法，该叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括：交替排布的两种叠层像素单元，两种叠层像素单元包括三种尺寸的光电二极管PD柱，其中，两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元分别排布两层PD柱，两层光电二极管PD柱包括两种尺寸的PD柱、且两层PD柱中每一层PD柱尺寸相同，两种叠层像素单元利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将RGB三色光对应的光信号转换成RGB三色光对应的电信号；与两种叠层像素单元的输出端连接的CMOS像素读出电路，每一层PD柱与一个CMOS像素读出电路连接，CMOS像素读出电路用于放大电信号，并读出电信号。
Description
技术领域
本申请涉及图像处理领域，尤其涉及一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器及图像处理方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器(互补金属氧化物半导体图像传感器，CMOS Image Sensor)具有集成度高、功耗小、速度快和成本低等特点，在高分辨率像素产品方面应用广泛。通常CMOS图像传感器在同一像素上只可记录RGB三种颜色中的一种，使得生成图像色彩细节较少、产生不必要的纹状效应。为了增加色彩细节，并且避免不必要的纹状效应，采用三层感光元件分别记录RGB的其中一个颜色通道，其主要的工作原理为，利用不同波长的光在硅中的吸收长度的差异来测量不同深度获得的信号，最终在一个像素实现了R、G、B三种颜色的检测。
然而，现有的三层感光元件由于其每层感光元件的厚度较大，导致像素尺寸大和互补金属氧化物半导体图像传感器功耗大的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器及图像处理方法，能够减小像素尺寸，降低互补金属氧化物半导体图像传感器的功耗。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括：
交替排布的两种叠层像素单元，所述两种叠层像素单元包括三种尺寸的光电二极管PD柱，其中，所述两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元分别排布两层PD柱，所述两层光电二极管PD柱包括两种尺寸的PD柱、且所述两层PD柱中每一层PD柱尺寸相同，所述两种叠层像素单元利用所述三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将所述RGB三色光对应的光信号转换成RGB三色光对应的电信号；
与所述两种叠层像素单元的输出端连接的CMOS像素读出电路，所述每一层PD柱与一个CMOS像素读出电路连接，所述CMOS像素读出电路用于放大所述电信号，并读出所述电信号。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：与所述每一种叠层像素单元的输入端连接的滤色片；
所述滤色片，用于基于所述滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；
所述每一种叠层像素单元，具体用于利用所述两种尺寸的PD柱，从所述RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述颜色信息由所述每一种叠层像素单元吸收的所述两种RGB单色光决定。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述两层PD柱中的每一层PD柱与所述一个CMOS像素读出电路通过转移门连接电路连接。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述两层PD柱中距离光源最近的第一PD柱层包括一组PD柱；
所述两层PD柱中的第二PD柱层包括第一转移门连接电路和一组PD柱，所述第一转移门连接电路为所述第一PD柱层对应的转移门连接电路，所述第二PD柱层为所述两层PD柱中除所述第一PD柱层外的PD柱层。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述每一层PD柱中的相邻两个PD柱之间距离为预设距离，所述第一PD柱层中PD柱的个数由所述叠层像素单元的大小和所述预设距离确定，所述第二PD柱层中PD柱的个数由所述第一转移门连接电路的尺寸、所述叠层像素单元的大小和所述预设距离确定。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述每一层PD柱包括一个n区，所述电信号集中到所述每一层PD柱的n区。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述每一层PD柱用于吸收RGB单色光，所述每一层PD柱的尺寸由所述RGB单色光确定。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述PD柱的形状包括圆柱形和正多边形。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述一个CMOS像素读出电路包括：与所述转移门连接电路连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；
所述转移晶体管，用于将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区，以从所述读出区读取所述电信号；
所述放大管，用于将所述读出区的电信号放大。
在上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器中，所述CMOS像素读出电路还包括：与所述读出区和所述放大管连接的复位晶体管；
所述读出区，还用于读出所述复位晶体管中的复位电平；
所述放大管，还用于对所述复位电平进行放大。
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括交替排布的两种叠层像素单元和CMOS像素读出电路，所述两种叠层像素单元包括三种尺寸的PD柱，其中，所述两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元包括两种尺寸的PD柱，所述方法包括：
利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，以利用所述三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将所述RGB三色光对应的光信号转换成电信号；
利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号。
在上述方法中，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括与所述每一种叠层像素单元的输入端连接的滤色片，所述利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光之前，所述方法还包括：
基于所述滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；
相应的，所述利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，包括：
利用所述两种尺寸的PD柱，从所述RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
在上述方法中，一个CMOS像素读出电路包括：与所述两种叠层像素单元连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；所述利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号，包括：
利用所述转移晶体管将所述电信号从所述每一层PD柱中转移至读出区；
从所述读出区读取所述电信号；
利用放大管将所述读出区的电信号放大。
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的方法。
本申请实施例提供了一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器及图像处理方法，该叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括：交替排布的两种叠层像素单元，两种叠层像素单元包括三种尺寸的光电二极管PD柱，其中，两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元分别排布两层PD柱，两层光电二极管PD柱包括两种尺寸的PD柱、且两层PD柱中每一层PD柱尺寸相同，两种叠层像素单元利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将RGB三色光对应的光信号转换成RGB三色光对应的电信号；与两种叠层像素单元的输出端连接的CMOS像素读出电路，每一层PD柱与一个CMOS像素读出电路连接，CMOS像素读出电路用于放大电信号，并读出电信号。采用上述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器实现方案，利用交替排布的两种叠层像素单元排布三种尺寸的PD柱，以利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，减小了像素尺寸，且直接利用两种叠层像素单元获得R、G、B三个通道的信号，减少了每个叠层像素单元采集的信号数量，进而降低了互补金属氧化物半导体图像传感器的功耗。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种示例性的滤色片阵列的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种示例性的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器的截面电路示意图；
图4(a)为本申请实施例提供的一种示例性的叠层像素单元1的第一层PD的像素截面示意图；
图4(b)为本申请实施例提供的一种示例性的叠层像素单元1和叠层像素单元2的第二层PD的像素截面示意图；
图4(c)为本申请实施例提供的一种示例性的叠层像素单元1的第二层PD的像素截面示意图；
图5为本申请实施例提供的一种示例性的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器的CMOS像素读出电路的电路结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请。并不用于限定本申请。
实施例一
本申请实施例提供一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器1，如图1所示，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器1包括：
交替排布的两种叠层像素单元10，所述两种叠层像素单元10包括三种尺寸的光电二极管PD柱100，其中，所述两种叠层像素单元10中的每一种叠层像素单元分别排布两层PD柱100，所述两层光电二极管PD柱100包括两种尺寸的PD柱、且所述两层PD柱100中每一层PD柱尺寸相同，所述两种叠层像素单元10利用所述三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将所述RGB三色光对应的光信号转换成RGB三色光对应的电信号；
与所述两种叠层像素单元10的输出端连接的CMOS像素读出电路11，所述每一层PD柱100与一个CMOS像素读出电路11连接，所述CMOS像素读出电路11用于放大所述电信号，并读出所述电信号。
本申请实施例提出的一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器应用于对采集到的光信号进行图像处理，得到光信号对应的图像的场景下。
本申请实施例中，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括交替排布的两种叠层像素单元和CMOS像素读出电路，其中，两种叠层像素单元中设置了三种尺寸的光电二极管(PD，Photo Diode)柱，具体的设置方式为：对于两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元而言，一层PD柱为一种尺寸的PD柱，且每一种叠层像素单元包括两层PD柱，故，每一种叠层像素单元设置了两种尺寸的PD柱，进一步地，对于两种叠层像素单元而言，两种叠层像素单元分别有一层PD柱的尺寸相同，由此，为两种叠层像素单元设置了三种尺寸的PD柱。
需要说明的是，对于本申请实施例提出的交替排布的两种叠层像素单元而言，其中的任一种叠层像素单元的四周均为另一种叠层像素单元，以叠层像素单元1和叠层像素单元2这两种叠层像素单元为例进行说明，叠层像素单元1的四周均为叠层像素单元2，叠层像素单元2的四周均为叠层像素单元1。
以叠层像素单元1和叠层像素单元2这两种叠层像素单元为例进行说明，叠层像素单元1和叠层像素单元2交替排布，即按照叠层像素单元1、叠层像素单元2、层像素单元1、叠层像素单元2依次排布，或者叠层像素单元2、叠层像素单元1、层像素单元2、叠层像素单元1依次排布，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定，其中，叠层像素单元1的第一层设置直径为60nm的PD柱，叠层像素单元1的第二层设置直径为120nm的PD柱，叠层像素单元2的第一层设置直径为90nm的PD柱，叠层像素单元2的第二层设置直径为120nm的PD柱。
本申请实施例中，交替排布的两种叠层像素单元利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，其中，不同尺寸的PD柱用于吸收不同的RGB单色光。
本申请实施例中，每一层PD柱对应一个CMOS像素读出电路，可见光分别透过交替排布的两种叠层像素单元，两种叠层像素单元利用各自的两层PD柱分别吸收RGB单色光，并将RGB单色光进行光电转换，得到RGB单色光对应的电信号，由此，两种叠层像素单元通过三种尺寸的PD柱吸收RGB三色光，并将RGB三色光转换为RGB三色光对应的电信号，之后，每一层PD柱将RGB单色光对应的电信号传输至对应的一个CMOS像素读出电路中，每一层PD柱对应的一个CMOS像素读出电路将RGB单色光对应的电信号放大并读出，由此，CMOS像素读出电路将RGB三色光对应的电信号放大并读出。
本申请实施例中，每一层PD柱的尺寸由其需要吸收的RGB单色光决定，具体的根据实际情况进行设置，本申请实施例不做具体的限定。
示例性的，两种叠层像素单元中的第一种叠层像素单元的第一层PD柱用于吸收蓝光，下一层PD柱用于吸收红光；第二种叠层像素单元的第一层PD柱用于吸收绿光，下一层PD柱用于吸收红光，且两种叠层像素单元的叠层顺序不仅限于上述方式，只需满足两种叠层像素单元共同吸收RGB三色光即可，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不作具体的限定。
例如，对于圆柱形PD柱而言，当吸收绿光时，圆柱形PD柱的直径为90nm；当吸收蓝光时，圆柱形PD柱的直径为60nm；当吸收红光时，圆柱形PD柱的直径为120nm。
进一步地，每一层PD柱的厚度在80nm-500nm之间，当厚度越大则吸收率越高、吸收纯度越低，如在利用PD柱吸收蓝光的场景下，PD柱的厚度为1μm时，该PD柱吸收蓝光的吸收率达到98％，然而会吸收部分红光和绿光，导致对蓝光的吸收纯度降低。
本申请实施例中，当CMOS像素读出电路读出RGB三色光对应的电信号之后，CMOS像素读出电路将RGB三色光对应的电信号传输至图像处理单元，图像处理单元对RGB三色光对应的电信号进行处理，得到成像光信号对应的彩色图像。
可选的，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器1还包括：与所述每一种叠层像素单元10的输入端连接的滤色片12；
所述滤色片12，用于基于所述滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；
所述每一种叠层像素单元10，具体用于利用所述两种尺寸的PD柱，从所述RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
本申请实施例中，在每一种叠层像素单元的输入端覆盖滤色片，该滤色片用于透过指定的RGB组合光，过滤掉其他紫外光和红外光等杂光。
本申请实施例中，光源发出的成像光信号经过滤色片之后，滤色片过滤掉成像光信号中的紫外光、红外光和其他颜色的杂光，并通过滤色片的颜色信息对应的RGB组合光，之后，RGB组合光依次经过两层PD柱，两层PD柱中的每一层PD柱利用各自的PD柱尺寸进行相应的共振吸收，以依次从RGB组合光中吸收相应的RGB单色光。
可选的，所述颜色信息由所述每一种叠层像素单元10吸收的所述两种RGB单色光决定。
本申请实施例中，滤色片的颜色信息由每一种叠层像素单元吸收的两种RGB单色光决定的，例如，当叠层像素单元吸收蓝光和红光时，其上覆盖的滤色片为紫色；当叠层像素单元吸收绿光和红光时，其上覆盖的滤色片为黄色。
示例性的，如图2所示，为交替排布的两种叠层像素单元上方覆盖的滤色片阵列，包括透过蓝光和红光的紫色滤色片和透过绿色和红色的黄色滤色片，在图2中，P代表紫色滤色片，Y代表黄色滤色片。
可选的，所述两层PD柱100中的每一层PD柱100与所述一个CMOS像素读出电路11通过转移门连接电路13连接。
本申请实施例中，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括转移门连接电路，该转移门连接电路处于每一层PD柱和与每一层PD柱对应的一个CMOS像素读出电路之间，用于连接每一层PD柱和与每一层PD柱对应的一个CMOS像素读出电路，当每一层PD柱将吸收的RGB单色光转换为RGB单色光对应的电信号之后，通过转移门连接电路将RGB单色光对应的电信号传输至CMOS像素读出电路，以供CMOS像素读出电路将RGB单色光对应的电信号进行放大并读出。
可选的，所述两层PD柱100中距离光源最近的第一PD柱层包括一组PD柱；
所述两层PD柱100中的第二PD柱层包括第一转移门连接电路13和一组PD柱100，所述第一转移门连接电路13为所述第一PD柱层对应的转移门连接电路，所述第二PD柱层100为所述两层PD柱中除所述第一PD柱层外的PD柱层。
本申请实施例中，两层PD柱分别对应两种层级结构，其中，第一种为距离光源最近的第一PD柱层，其中排布一组PD柱；第二中为两层PD柱中除第一PD柱层外的第二PD柱层，其中排布第一转移门连接电路和一组PD柱，第一转移门电路为第一PD柱层对应的转移门连接电路。
示例性的，以两层叠层互补金属氧化物半导体图像传感器为例，其像素截面示意图如图3所示，两层叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括覆盖紫色滤光片的两层叠层像素单元1、覆盖黄色滤光片的两层叠层像素单元2和CMOS像素读出电路，其信号流通方向为先经过紫色滤光片和黄色滤光片，再经过两层叠层像素单元1和两层叠层像素单元2，之后再经过CMOS像素读出电路。两层叠层像素单元1由距离光源最近的第一层PD柱和与第一层PD柱相邻的第二层PD柱组成，第一层PD柱用于吸收蓝光，第二层PD柱用于吸收红光，其中，第一层PD柱包括16个PD柱，如图4(a)所示，其中，B代表蓝色，在16个PD柱的下方设置有一个n区，该一个n区连接第一层PD的转移门连接电路，第一层PD的转移门连接电路连接CMOS像素读出电路；第二层PD柱包括12个PD柱和第一层PD柱的转移门连接电路，如图4(b)所示，其中，R代表红色，在12个PD柱的下方设置有一个n区，该一个n区连接第二层PD的转移门连接电路，第二层PD的转移门连接电路连接CMOS像素读出电路；两层叠层像素单元2由距离光源最近的第一层PD柱和与第一层PD柱相邻的第二层PD柱组成，第一层PD柱用于吸收绿光，第二层PD柱用于吸收红光，其中，第一层PD柱包括16个PD柱，如图4(c)所示，其中，G代表绿色，在16个PD柱的下方设置有一个n区，该一个n区连接第一层PD的转移门连接电路，第一层PD的转移门连接电路连接CMOS像素读出电路；第二层PD柱包括12个PD柱和第一层PD柱的转移门连接电路，如图4(b)所示，在12个PD柱的下方设置有一个n区，该一个n区连接第二层PD的转移门连接电路，第二层PD的转移门连接电路连接CMOS像素读出电路。
基于图3所示的两层叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，具体的RGB光线采集的过程为：光线分别透过紫色滤光片和黄色滤光片，得到紫色光线和黄色光线，之后紫色光线经过两层叠层像素单元1的第一层PD，基于第一层PD的共振吸收，将紫色光线中的蓝光吸收并转换成电信号，蓝光对应的电信号经过第一层PD的转移门连接电路传输至CMOS像素读出电路，剩余光线透过第二层PD，基于第二层PD的共振吸收，将光线中的红光吸收并转换成电信号，红光对应的电信号经过第二层PD的转移门连接电路传输至CMOS像素读出电路；黄色光线经过两层叠层像素单元2的第一层PD，基于第一层PD的共振吸收，将黄色光线中的绿光吸收并转换成电信号，绿光对应的电信号经过第一层PD的转移门连接电路传输至CMOS像素读出电路，剩余光线透过第二层PD，基于第二层PD柱的共振吸收，将光线中的红光吸收并转换成电信号，红光对应的电信号经过第二层PD的转移门连接电路传输至CMOS像素读出电路。此时，CMOS像素读出电路接收到RGB三色光。
可选的，所述每一层PD柱100中的相邻两个PD柱100之间距离为预设距离，所述第一PD柱层100中PD柱的个数由所述叠层像素单元的大小和所述预设距离确定，所述第二PD柱层100中PD柱的个数由所述第一转移门连接电路13的尺寸、所述叠层像素单元的大小和所述预设距离确定。
本申请实施例中，每一层PD柱中的相邻两个PD柱之间的预设距离大于或者等于50nm，由此可以避免相邻PD柱之间的相互干扰。
本申请实施例中，由于第一层PD柱不存在其他PD柱层对应的转移门连接电路，故，第一层PD柱中PD柱的个数由叠层像素单元的大小除以预设距离得到；由于第二层PD柱还包括第一层PD柱对应的第一转移门连接电路，故，第二层PD柱中PD柱的个数由叠层像素单元的大小减去第一转移门电路的尺寸之后，除以预设距离得到，具体的计算方法根据实际情况进行设置及调整，本申请实施例不做具体的限定。
可选的，所述每一层PD柱100包括一个n区，所述电信号集中到所述每一层PD柱的n区。
本申请实施例中，在每一层PD柱的下方设置一个n区，该n区等同于两种叠层像素单元的输出端，该n区与转移门连接电路进行连接，每一层PD柱将光电转换之后的电信号集中到n区，并由转移门连接电路传输至CMOS像素读出电路。
进一步地，每一个PD柱对应一个p区，第一层PD柱的p区等同于两种叠层像素单元的输入端，滤色片覆盖在第一层PD柱上。
可选的，所述每一层PD柱100用于吸收RGB单色光，所述每一层PD柱100的尺寸由所述RGB单色光确定。
本申请实施例中，PD柱的直径是基于RGB单色光的共振波长和光信号的折射率确定的，或者通过光学模拟得到的，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
本申请实施例中，利用公式(1)确定PD柱的尺寸
PD柱的尺寸＝(共振波长-预设常数)/折射率(1)
本申请实施例中，每一层PD柱吸收一种RGB单色光，当吸收绿光时，该层PD柱的直径为90nm；当吸收蓝光时，该层PD柱的直径为60nm；当吸收红光时，该层PD柱的直径为120nm。
可选的，所述PD柱100的形状包括圆柱形和正多边形，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
可选的，所述一个CMOS像素读出电路11包括：与所述转移门连接电路13连接的转移晶体管110、与所述转移晶体管110连接的读出区111和与所述读出区111连接的放大管112；
所述转移晶体管110，用于将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区111，以从所述读出区111读取所述电信号；
所述放大管112，用于将所述读出区111的电信号放大。
本申请实施例中，转移晶体管的源极与转移门连接电路连接；所述转移晶体管的漏极与FD(读出区)连接；PD柱将电信号聚焦到转移晶体管的n+区，并经过转移晶体管转移到FD。
本申请实施例中，光线在PD柱的耗尽区发生光电转换，将光信号转换成电信号，之后转移晶体管将电信号聚集到转移晶体管的n+区沟道中；并将n+区沟道中的电信号转移到FD。
可选的，所述CMOS像素读出电路11还包括：与所述读出区111和所述放大管112连接的复位晶体管113；
所述读出区111，还用于读出所述复位晶体管113中的复位电平；
所述放大管112，还用于对所述复位电平进行放大。
本申请实施例中，复位管的源极和电源连接；复位管的漏极和FD连接，其中，复位管中存储有复位电平，通过FD读出复位电平。
本申请实施例中，分别从复位管读出复位电平、从转移晶体管读出电信号，之后，对复位电平和电信号进行放大之后，对放大的电信号和放大的复位电平进行相关双采样，从而降低读出电信号的噪声。
如图5所示，为像素单元电路的简化示意图，叠层像素单元1的第一层PD柱吸收蓝光，第二层PD柱吸收红光，在叠层像素单元1的第一层PD柱上覆盖紫色滤色片；叠层像素单元2的第一层PD柱吸收绿光，第二层PD柱吸收红光，在叠层像素单元2的第一层PD柱上覆盖黄色滤色片；其中，以叠层像素单元的吸收蓝光的PD柱层为例，吸收蓝光的PD柱对应的转移门连接电路和转移晶体管的源极连接，转移晶体管的漏极与FD连接；FD还与复位管的漏极连接，复位管的源极和电源连接；FD还与BSF的栅极连接，BSF的源极和电源连接，BSF的漏极与选通管的源极连接，选通管的漏极和输出端连接。
可以理解的是，利用交替排布的两种叠层像素单元排布三种尺寸的PD柱，以利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，减小了像素尺寸，且直接利用两种叠层像素单元获得R、G、B三个通道的信号，减少了每个叠层像素单元采集的信号数量，进而降低了互补金属氧化物半导体图像传感器的功耗。
实施例二
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括交替排布的两种叠层像素单元和CMOS像素读出电路，两种叠层像素单元包括三种尺寸的PD柱，其中，两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元包括两种尺寸的PD柱，如图6所示，该方法可以包括：
S101、利用每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，以利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将RGB三色光对应的光信号转换成电信号。
本申请实施例提供的一种图像处理方法适用于对采集到的光信号进行图像处理，得到光信号对应的图像的场景下。
本申请实施例中，两种叠层像素单元10中的每一种叠层像素单元分别排布两层PD柱100，两层光电二极管PD柱100包括两种尺寸的PD柱、且两层PD柱100中每一层PD柱尺寸相同。
本申请实施例中，以叠层像素单元1和叠层像素单元2这两种叠层像素单元为例进行说明，叠层像素单元1和叠层像素单元2交替排布，即按照叠层像素单元1、叠层像素单元2、层像素单元1、叠层像素单元2依次排布，或者叠层像素单元2、叠层像素单元1、层像素单元2、叠层像素单元1依次排布，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定，其中，叠层像素单元1的第一层设置直径为60nm的PD柱，叠层像素单元1的第二层设置直径为120nm的PD柱，叠层像素单元2的第一层设置直径为90nm的PD柱，叠层像素单元2的第二层设置直径为120nm的PD柱。
进一步地，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括与每一种叠层像素单元的输入端连接的滤色片，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器利用每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光之前，基于滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；叠层互补金属氧化物半导体图像传感器利用每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，具体为：叠层互补金属氧化物半导体图像传感器利用两种尺寸的PD柱，从RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
本申请实施例中，光源发出的成像光信号经过滤色片之后，滤色片过滤掉成像光信号中的紫外光、红外光和其他颜色的杂光，并通过滤色片的颜色信息对应的RGB组合光，之后，RGB组合光依次经过两层PD柱，两层PD柱中的每一层PD柱利用各自的PD柱尺寸进行相应的共振吸收，以依次从RGB组合光中吸收相应的RGB单色光。
示例性的，对于圆柱形PD柱而言，当吸收绿光时，圆柱形PD柱的直径为90nm；当吸收蓝光时，圆柱形PD柱的直径为60nm；当吸收红光时，圆柱形PD柱的直径为120nm。
进一步地，每一层PD柱的厚度在80nm-500nm之间，当厚度越大则吸收率越高、吸收纯度越低，如在利用PD柱吸收蓝光的场景下，PD柱的厚度为1μm时，该PD柱吸收蓝光的吸收率达到98％，然而会吸收部分红光和绿光，导致对蓝光的吸收纯度降低。
本申请实施例中，每一层PD柱中的相邻两个PD柱之间的预设距离大于或者等于50nm，由此可以避免相邻PD柱之间的相互干扰。
本申请实施例中，滤色片的颜色信息由每一种叠层像素单元吸收的两种RGB单色光决定的，例如，当叠层像素单元吸收蓝光和红光时，其上覆盖的滤色片为紫色；当叠层像素单元吸收绿光和红光时，其上覆盖的滤色片为黄色。
本申请实施例中，两层PD柱分别对应两种层级结构，其中，第一种为距离光源最近的第一PD柱层，其中排布一组PD柱；第二中为两层PD柱中除第一PD柱层外的第二PD柱层，其中排布第一转移门连接电路和一组PD柱，第一转移门电路为第一PD柱层对应的转移门连接电路。
本申请实施例中，在每一层PD柱的下方设置一个n区，该n区等同于两种叠层像素单元的输出端，该n区与转移门连接电路进行连接，每一层PD柱将光电转换之后的电信号集中到n区，并由转移门连接电路传输至CMOS像素读出电路。
进一步地，每一个PD柱对应一个p区，第一层PD柱的p区等同于两种叠层像素单元的输入端，滤色片覆盖在第一层PD柱上。
本申请实施例中，光源发出的成像光信号经过滤色片之后，过滤掉成像光信号中的紫外光和红外光，并透过滤色片对应的RGB组合光，之后，RGB组合光依次经过两层PD柱，两层PD柱中的每一层PD柱利用各自的PD柱尺寸进行相应的共振吸收，每一层PD柱依次从RGB组合光中吸收相应的RGB单色光。
S102、利用CMOS像素读出电路放大电信号，并读出电信号。
当叠层互补金属氧化物半导体图像传感器将RGB三色光对应的光信号转换成电信号之后，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器利用CMOS像素读出电路放大电信号，并读出电信号。
本申请实施例中，一个CMOS像素读出电路包括：与两种叠层像素单元连接的转移晶体管、与转移晶体管连接的读出区和与读出区连接的放大管；叠层互补金属氧化物半导体图像传感器利用CMOS像素读出电路放大电信号，并读出电信号的过程具体为：利用转移晶体管将电信号从每一层PD柱中转移至读出区；从读出区读取电信号；利用放大管将读出区的电信号放大。
如图5所示，为单个像素单元电路的简化示意图，叠层像素单元1的第一层PD柱吸收蓝光，第二层PD柱吸收红光，在叠层像素单元1的第一层PD柱上覆盖紫色滤色片；叠层像素单元2的第一层PD柱吸收绿光，第二层PD柱吸收红光，在叠层像素单元2的第一层PD柱上覆盖黄色滤色片；其中，以叠层像素单元的吸收蓝光的PD柱层为例，吸收蓝光的PD柱对应的转移门连接电路和转移晶体管的源极连接，转移晶体管的漏极与FD连接；FD还与复位管的漏极连接，复位管的源极和电源连接；FD还与BSF的栅极连接，BSF的源极和电源连接，BSF的漏极与选通管的源极连接，选通管的漏极和输出端连接。
可以理解的是，利用交替排布的两种叠层像素单元排布三种尺寸的PD柱，以利用三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，减小了像素尺寸，且直接利用两种叠层像素单元获得R、G、B三个通道的信号，减少了每个叠层像素单元采集的信号数量，进而降低了互补金属氧化物半导体图像传感器的功耗。
实施例三
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，上述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，应用于叠层互补金属氧化物半导体图像传感器1中，该计算机程序实现如实施例二所述的图像处理方法。
具体来讲，本实施例中的一种图像处理方法对应的程序指令被一电子设备读取或被执行时，包括如下步骤：
利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，以利用所述三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将所述RGB三色光对应的光信号转换成电信号；
利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号。
在本发明的实施例中，进一步地，叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括与所述每一种叠层像素单元的输入端连接的滤色片，所述利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光之前，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，还实现以下步骤：
基于所述滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；
相应的，所述利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，具体实现以下步骤：
利用所述两种尺寸的PD柱，从所述RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
在本发明的实施例中，进一步地，一个CMOS像素读出电路包括：与所述两层PD柱中的每一层PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；所述利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，具体实现以下步骤：
利用所述转移晶体管将所述电信号从所述每一层PD柱中转移至读出区；
从所述读出区读取所述电信号；
利用放大管将所述读出区的电信号放大。
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 (15)
1.一种叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括：
交替排布的两种叠层像素单元，所述两种叠层像素单元包括三种尺寸的光电二极管PD柱，其中，所述两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元分别排布两层PD柱，所述两层光电二极管PD柱包括两种尺寸的PD柱、且所述两层PD柱中每一层PD柱尺寸相同，所述两种叠层像素单元利用所述三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将所述RGB三色光对应的光信号转换成RGB三色光对应的电信号；
与所述两种叠层像素单元的输出端连接的CMOS像素读出电路，所述每一层PD柱与一个CMOS像素读出电路连接，所述CMOS像素读出电路用于放大所述电信号，并读出所述电信号。
2.根据权利要求1所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：与所述每一种叠层像素单元的输入端连接的滤色片；
所述滤色片，用于基于所述滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；
所述每一种叠层像素单元，具体用于利用所述两种尺寸的PD柱，从所述RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
3.根据权利要求2所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述颜色信息由所述每一种叠层像素单元吸收的所述两种RGB单色光决定。
4.根据权利要求1所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述两层PD柱中的每一层PD柱与所述一个CMOS像素读出电路通过转移门连接电路连接。
5.根据权利要求1或4所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，
所述两层PD柱中距离光源最近的第一PD柱层包括一组PD柱；
所述两层PD柱中的第二PD柱层包括第一转移门连接电路和一组PD柱，所述第一转移门连接电路为所述第一PD柱层对应的转移门连接电路，所述第二PD柱层为所述两层PD柱中除所述第一PD柱层外的PD柱层。
6.根据权利要求5所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述每一层PD柱中的相邻两个PD柱之间距离为预设距离，所述第一PD柱层中PD柱的个数由所述叠层像素单元的大小和所述预设距离确定，所述第二PD柱层中PD柱的个数由所述第一转移门连接电路的尺寸、所述叠层像素单元的大小和所述预设距离确定。
7.根据权利要求1所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述每一层PD柱包括一个n区，所述电信号集中到所述每一层PD柱的n区。
8.根据权利要求1所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述每一层PD柱用于吸收RGB单色光，所述每一层PD柱的尺寸由所述RGB单色光确定。
9.根据权利要求1所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述PD柱的形状包括圆柱形和正多边形。
10.根据权利要求4所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述一个CMOS像素读出电路包括：与所述转移门连接电路连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；
所述转移晶体管，用于将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区，以从所述读出区读取所述电信号；
所述放大管，用于将所述读出区的电信号放大。
11.根据权利要求10所述的叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述CMOS像素读出电路还包括：与所述读出区和所述放大管连接的复位晶体管；
所述读出区，还用于读出所述复位晶体管中的复位电平；
所述放大管，还用于对所述复位电平进行放大。
12.一种图像处理方法，其特征在于，应用于叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器包括交替排布的两种叠层像素单元和CMOS像素读出电路，所述两种叠层像素单元包括三种尺寸的PD柱，其中，所述两种叠层像素单元中的每一种叠层像素单元包括两种尺寸的PD柱，所述方法包括：
利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，以利用所述三种尺寸的PD柱分别吸收RGB三色光，并将所述RGB三色光对应的光信号转换成电信号；
利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述叠层互补金属氧化物半导体图像传感器还包括与所述每一种叠层像素单元的输入端连接的滤色片，所述利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光之前，所述方法还包括：
基于所述滤色片的颜色信息对光源的成像光信号进行过滤，得到RGB组合光；
相应的，所述利用所述每一种叠层像素单元的两种尺寸的PD柱依次吸收两种RGB单色光，包括：
利用所述两种尺寸的PD柱，从所述RGB组合光中依次吸收两种RGB单色光。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，一个CMOS像素读出电路包括：与所述两种叠层像素单元连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；所述利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号，包括：
利用所述转移晶体管将所述电信号从所述每一层PD柱中转移至读出区；
从所述读出区读取所述电信号；
利用放大管将所述读出区的电信号放大。
15.一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于叠层互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求12-14任一项所述的方法。
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