[实用新型]一种图像传感单元、图像传感器

说明书

本实用新型公开了一种图像传感单元、图像传感器，其中，图像传感单元设置有陷光结构，入射光经过陷光结构反射、散射、折射后被分散到各个角度，加上侧壁反射墙的反射作用，可以延长光在图像传感单元中的有效光程，从而提高了光在图像传感单元中的吸收效率，而不需增加器件厚度；图像传感单元具有第一陷光结构和第二陷光结构，可以提高图像传感单元的光吸收效率。

技术领域

本实用新型涉及光电领域，尤其是一种图像传感单元、图像传感器。

背景技术

图像传感器被广泛应用于各种电子设备中，如数码相机，手机，医疗成像设备，安检设备，测距相机等等。随着制造图像传感器的半导体技术不断进步，图像传感器正在进一步向低功耗，小型化，高度集成的方向发展。图像传感器通常由光电探测器阵列组成，图像传感器单元可以是传统的CMOS图像传感单元(CIS)或是单光子雪崩二极管(SPAD)，两者都可以通过CMOS工艺集成制造。另外，图像传感器包括前照式图像传感器和背照式图像传感器，前照式图像传感器的截面结构示意图如图1所示，在光学上，由于处理电路位于硅探测层的上方，入射光在到达硅探测层(即光电二极管205)前需要穿过布满金属导线和介质材料的电路层，入射光会被吸收或散射，导致光探测效率低下。另外，由于每个成像单元的淬灭电路和充电电路占据较大面积，使得成像单元的填充因子很低。当尝试在成像单元的电路上引入其它功能，如计数，采样，压缩等时，低填充因子的问题会更加严重；而低填充因子导致了传感阵列的探测效率下降。

而背照式图像传感器的实现方式如图2所示，背侧照明式(back sideillumination,BSI)图像传感器是一种将电路层置于探测层之下的设计，即光电二极管205位于电路层之上。背照式图像传感器的具体截面结构示意图如图3所示，图3的左半部分示意了背照式图像传感器的具体结构，图3的右半部分为背照式图像传感器的等效示意图，其中，顶部晶片48包含背侧照明式传感单元阵列，外接电路46位于底部晶片49之中，外接电路46包括偏压提供电路或者信号处理电路，顶部晶片48和底部晶片49由氧化物键合层44实现连接，且金属线43精确对准并通过通孔45相连接。其相对于前照式图像传感器具有以下优点：1.入射光直达探测层，使得吸收效率得以提高；2.单元之间的深槽隔离结构41可以减少串扰的发生；3.由于电路设置在下层，使得像素感光面积的填充因子得以提高，且可以支持复杂的电路；4.在加工流程中金属材料带来的污染得以避免；5.像素单元面积更小，使得单位面积内的像素数量更高，提高成像分辨率；6.由于探测层与微透镜(一般设置在图像传感单元的表面)的距离更近，因此在BSI图像传感器中可以使用数值孔径更大的微透镜，提高对大角度入射光的收集。

然而图像传感器存在以下不足：

(1)硅材料对于波长在800-1000nm的光吸收率较低，目前的硅基图像传感器采用的是平面结构，光子垂直进入器件层并垂直传播，光子的吸收效率与器件层的厚度成正相关(具体遵循1-e^-αL定律，其中α为吸收效率，L为吸收距离)，则可以通过增加厚度来提高光吸收率。然而过厚的器件层要求图像传感器的面积也相应增大，降低了单位面积内的单元个数，且过厚器件层的加工难度大，成品率低，不易于与CMOS工艺兼容，提高了成本。

(2)通过在图像传感器的平面结构表面上增加抗反射膜来提高光的入射率，但其增透效果会随着入射角的增大而降低，导致入射光子的吸收效率降低。

(3)对于图像传感单元阵列，位于阵列边缘位置的单元所接收到的经过透镜会聚的入射光角度较大，可能导致吸收效率的降低。

(4)在平面的BSI图像传感器中，对于某些特定波长，硅层可以作为一个共振腔，使其吸收效率在特定波长达到很高的数值。然而此种方法存在许多缺点：1)当硅层的实际加工厚度与设计有轻微偏差时，共振频率会发生偏移；2)对于入射光的波长非常敏感，对于偏离共振频率的光，吸收效率大幅下降；3)当温度变化时，由于材料折射率的细微变化也会导致共振频率的偏移；4)对于入射光角度的变化非常敏感。

实用新型内容