專利名稱：自供能cmos圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種CMOS圖像傳感器，特別是涉及一種自供能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I禹合兀件(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。最后，現有的CMOS圖像傳感器，在檢測光線的同時還不能為自身提供電源以達到自供能的功能。
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自供能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，同時解決了現有技術中無法實現自供能的圖像傳感器的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種自供能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、用以圖像處理的圖像處理單元、及用于自供電源的儲能單元，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；所述儲能單元包括電荷儲存電路和電源轉換電路，以將儲存的電荷通過所述電源轉換電路轉換為合適的電壓，為所述CMOS圖像傳感器提供電源；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兩個開關元件以及連接于該兩個開關元件之間的一個感光元件；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。可選地，所述像素讀出單元位于所述的感光疊層的一個感光層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，且各該感光元件與所述像素讀出單元之間通過各該感光元件對應的一個開關元件連接，其中，所述的感光疊層與像素讀出單元形成一像素模塊。可選地，多個所述像素讀出單元分別位于所述的感光疊層的多個感光層中，所述感光疊層的所有感光元件對應所述的多個像素讀出單元，且所述的感光疊層的每個感光元件通過其各自對應的一個開關元件只與一個所述像素讀出單元連接，其中，所述的感光疊層與多個所述像素讀出單元形成一像素模塊。可選地，所述的像素讀出單元位于襯底層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，其中，所述 感光疊層即為一像素模塊。如上所述，相對于現有的CMOS圖像傳感器而言，本發明的自供能CMOS圖像傳感器，具有以下有益效果I)本發明由于采用了無濾光片的設計，降低成本的同時也避免了濾光片引起的圖像質量變差等問題；2)本發明由于采用層疊式結構的感光疊層，使所需電路結構可以做在單獨的一層上(襯底層)，從而大大提聞填充因子，進一步提聞圖像的質量；3)本發明由于采用層疊式結構的感光疊層，使一個像素具有檢測不同波段光的能力，一次曝光可以同時獲得紫外光、可見光和紅外光等信息，一方面，可以通過一塊芯片獲得多種信息，不僅降低了成本及復雜度，而且大大提高了轉換的效率和圖像質量；另一方面，在讀出所需信息的同時，可以有選擇地將不同感光層所產生的剩余電荷保存起來，并通過電源轉換電路為整個圖像傳感器提供電源，以實現自供能的功能，充分利用光的能量，并增強了圖像傳感器的適應能力；4)本發明提供的自供能CMOS圖像傳感器，可用以實現可見光的精準成像，將紅、藍、綠光感光器件制備在位于半導體襯底同一區域的不同疊層上，進一步提高了圖像傳感器的集成度。
圖I顯示為本發明自供能CMOS圖像傳感器在實施例一中的等效電路結構示意圖。圖2a至圖2e顯示為本發明自供能CMOS圖像傳感器的感光疊層為不同結構時的三維結構示意圖。圖3顯示為本發明自供能CMOS圖像傳感器中不同波段光的強度與進入材料深度的關系不意圖。圖4a至圖4b顯示為本發明自供能CMOS圖像傳感器中不同組成的像素模塊對應的等效電路結構不意圖。圖5顯示為本發明自供能CMOS圖像傳感器在實施例二中的等效電路結構圖示意圖。元件標號說明I襯底層11列總線12放大器13電流源單元14圖像處理單元15儲能單元2感光疊層21紅外光感光層22可見光感光層22a、22b、22c可見光感光層的感光子層23紫外光感光層21’ 紅光感光層22’綠光感光層23’藍光感光層
212、222、232、212’、222’、232’PN 結光電二極管、感光元件2111、2112、2211、2212、2311、2312開關元件2111，、2112，、2211，、2212，、2311，、2312， 開關元件3、3’像素讀出單元31、31’復位晶體管32、32’源跟隨晶體管33、33’行選擇晶體管341、342、343轉移晶體管351、352、353浮動擴散區41、421、422、422a c、41"、421"、422"絕緣層5、5’像素模塊6、6’像素模塊陣列
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖5。需要說明的是，以下具體實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。現有的檢測可見光的CMOS圖像傳感器為帶有紅、綠、藍三種顏色濾光片的圖像傳感器，由于濾光片的使用，導致成本的增加，引起圖像傳感器面積較大導致圖像質量變差，而且濾光片本身的性能變化也影響成像的質量；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；現有的CMOS圖像傳感器，在檢測光線的同時還不能為自身提供電源以達到自供能的功能。鑒于此，本發明提供一種自供能CMOS圖像傳感器，至少包括襯底層、層疊覆蓋在襯底層上的感光疊層、以及像素讀出單元，其中，列總線、放大器、電流源單元、圖像處理單元、及用于自供電源的儲能單元位于襯底層中；感光疊層包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收不同波段光的多個感光層，且各該感光層中至少包括兩個開關元件以及連接于該兩個之間的一個感光元件；像素讀出單元位于襯底層中或位于感光疊層中的至少一個感光層中。本發明采用無濾光片的層疊式結構的感光疊層，可實現一個像素具有檢測不同波段光的能力以及圖像傳感器自供能的功能，不僅降低了成本及復雜度，大大提高了圖像傳感器的轉換效率、圖像質量和集成度，而且在充分利用光的能量的同時增強了圖像傳感器的適應能力。 實施例一如圖I至圖4所示，本發明提供一種自供能CMOS圖像傳感器，至少包括
位于襯底層I中的列總線11、放大器12、電流源單元13、圖像處理單元14、及儲能單元15 ;層疊覆蓋在所述襯底層I上的感光疊層2中用于吸收不同波段光的多個感光層，在本實施例一中，為用于吸收三個波段光的三個感光層，其中，第一感光層為紅外光感光層21，第二感光層為可見光感光層22、第三感光層為紫外光感光層23 ；以及至少包括復位晶體管31、源跟隨晶體管32、以及行選擇晶體管33的像素讀出單元3，在本實施例一中，所述自供能CMOS圖像傳感器為4T型，則所述像素讀出單元3還包括分別位于各該感光層的轉移晶體管341 343和浮動擴散區351 353。所述襯底層I材料為半導體材料或有機薄膜材料，其中，所述半導體材料為硅、鍺、或鍺硅，所述有機薄膜材料為ZnO-TFT，所述襯底層I的結構為單一材料的半導體結構或帶絕緣埋層的半導體結構，在本實施例一中，所述襯底層I為體硅，但不局限于此，在另一實施例中，所述襯底層I為絕緣體上鍺(GOI)。如圖I所示，所述襯底層I至少包括位于其中的所述列總線11與所述的放大器12、電流源單元13和像素讀出單元3相連接。所述放大器12用以放大經所述的像素讀出單元3讀出的包含像素信息的電信號，其中，一個輸入端與所述列總線相連，另一個輸入端接地，并將放大后的包含像素信息的電信號輸出至所述圖像處理單元14。所述電流源單元13包括用以提供恒定電流的電路(未圖示)，使所述像素讀出單元3中的源跟隨晶體管32的柵源電流(Ids)保持恒定，以供保證源極電壓與柵極電壓差恒定，從而達到源電壓跟隨柵極電壓的目的，其中，所述電流源單元13的一端與所述的列總線11和放大器12相連接，另一端接地。所述圖像處理單元14與所述放大器12的輸出端相連，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(未圖示)，用以將經放大器12放大過的包含像素信息的電信號進行圖像處理。所述儲能單元15包括電荷儲存電路和電源轉換電路(未圖示)，用于將儲存的電荷通過所述電源轉換電路轉換為合適的電壓并進行保存，當需要自供能時，將保存的電壓連接至像素讀出單元3所需的電源Vdd，為所述像素讀出單元3提供漏極電壓Vdd，為所述CMOS圖像傳感器實現自供電源功能。如圖2a所示，所述感光疊層2層疊覆蓋在所述襯底層I上，至少包括層疊覆蓋在所述襯底層I上的用于吸收不同波段光的多個感光層，在本實施例一中，層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收第一波段光(紅外光)的第一感光層為紅外光感光層21,層疊在所述第一感光層(紅外光感光層21)上的用于吸收第二波段光(可見光)的第二感光層為可見光感光層22，及層疊在所述第二感光層(可見光感光層22)上的用于吸收第三波段光(紫外光)的第三感光層為紫外光感光層23，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，其中，在本實施例一中，所述紅外光感光層21為鍺(Ge)材料，所述可見光感光層22為硅(Si)材料，所述紫外光感光層23為碳化硅(SiC)材料，但不局限于此，在另一實施例中，各該感光層的材料可為同種半導體材料。 各該感光層中至少包括兩個開關元件以及連接于該兩個之間的一個感光元件，各該感光兀件為PN結光電二極管、針扎式光電二極管(Pinned Diode)、或光電門中的至少一種，其中，所述感光元件用于本發明的圖像傳感器在曝光時進行光電轉換，將接收到的光信號轉換成包含像素信息的電信號，在本實施例一中，各該感光層中的感光元件均為PN結光電二極管，但并不局限于此，在另一實施例中，也存在各該感光層中的感光元件類型均不相同情況，即分別為PN結光電二極管、針扎式光電二極管、及光電門的一種(未圖示)；所述開關元件均包括一個NMOS晶體管、多個并聯或串聯的NMOS晶體管、一個PMOS晶體管、或多個并聯或串聯的PMOS晶體管，在本實施例一中，所述開關元件均為一個NMOS晶體管。需要說明的是，本實施例一中所述感光疊層2中的感光層個數為三個(第一感光層為紅外光感光層21，第二感光層為可見光感光層22、第三感光層為紫外光感光層23)，但并不僅局限于此，在另一實施例中，所述感光疊層2中的感光層個數也可以為只用于吸收兩種不同波段光的兩個感光層，其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；當然，在其他實施例中，所述感光疊層2中的感光層個數也可以為四個感光層或更多個感光層，在此不再一一贅述。需要進一步說明的是，所述感光疊層2中的感光層可為由多個感光子層組成的復合感光層，在本實施例一中，即所述的第一感光層(紅外光感光層21)、第二感光層(可見光感光層22)、或第三感光層(紫外光感光層23)可分別或同時為由多個感光子層組成的復合感光層，例如，圖2b所示的是只有所述可見光感光層22為由多個感光子層(22a 22c)組成的復合感光層的情況。需要指出的是，為了避免各該感光層之間的串擾，影響圖像質量，因此所述的襯底層I與感光疊層2之間采用絕緣層、或/及所述感光疊層2中各感光層之間采用絕緣層進行隔離；需要進一步指出的是，所述絕緣層4為單層結構或疊層結構，其中的所述單層結構或所述疊層結構中的每一層的材料為氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的任意一種。如圖2c所示，在本實施例一中，所述的襯底層I與感光疊層2之間采用單層絕緣層41、及所述感光疊層2中各感光層之間采用絕緣層(包括位于所述的紅外光感光層21與可見光感光層22之間的單層絕緣層421，及所述的可見光感光層22與紫外光感光層23之間的單層絕緣層422，此時各該感光層均為不包含感光子層情況，為單層結構)進行隔離；在另一實施例中，當所述感光疊層2中感光層為由多個感光子層組成的復合感光層時，各該感光子層之間具有絕緣層，例如，圖2d所示的只有所述可見光感光層22為由多個感光子層(22a 22c)組成的復合感光層的情況，其各該感光子層(22a 22c)之間具有單層絕緣層422a 422c ；進一步，在其他實施例中，如圖2e所示，所述紅外光感光層21、可見光感光層22及紫外光感光層23均為單層結構，但所述絕緣層41”、421”及422”為氮化硅和氮氧化硅的疊層結構的絕緣層。
具體地,在本實施例一中，如圖2c所不,所述的第一感光層(紅外光感光層21)、第二感光層(可見光感光層22)及第三感光層(紫外光感光層23)均為單層結構，且各感光層之間采用絕緣層(包括位于所述的紅外光感光層21與可見光感光層22之間的絕緣層421，及所述的可見光感光層22與紫外光感光層23之間的絕緣層422)進行隔離，同時，所述的襯底層I與感光疊層2之間采用絕緣層41進行隔離，且所述絕緣層41、421及422均為單層結構的氮化硅絕緣層；如圖2c所示，在本實施例一中，各該感光層中的感光元件均為PN結光電二極管；如圖I所示，在本實施例一中，所述開關元件均為一個NMOS晶體管，當其柵極加高電壓時，所述開關元件閉合呈導通狀態，當其柵極接地時，所述開關元件打開呈斷開狀態。進一步,在本實施例一中，如圖I所示，所述紅外光感光層21中包括開關元件2111和2112以及連接于二者之間的一個感光元件(PN結光電二極管)212，其中，在所述紅外光感光層21中，通過對鍺進行摻雜形成鍺PN結光電二極管感光元件212，包括P型區和N型區，所述P型區接地，所述開關元件2111的一端與所述像素讀出單元3相連接，所述開關元件2112的一端與所述儲能單元15相連接，且在本實施例一中，各該開關元件2111和2112的另一端連至位于紅外光感光層21中的浮動擴散區(Floating Diffusion, FD)351(實施例一中，本發明圖像傳感器為4T型，感光元件(PN結光電二極管)212的N型區通過轉移晶體管(Transfer Transistor, TX) 341連接至浮動擴散區351),但并不局限于此,在另一實施例中，當本發明圖像傳感器為3T型時，各該開關元件2111和2112的另一端連至PN結光電二極管212的N型區；在本實施例一中，如圖I所示，所述可見光感光層22中包括開關元件2211和2212以及連接于二者之間的一個感光元件(PN結光電二極管)222，其中，在所述可見光感光層22中，通過對娃進行摻雜形成娃PN結光電二極管感光兀件222,包括P型區和N型區，所述P型區接地，所述開關元件2211的一端與所述像素讀出單元3相連接，所述開關元件2212的一端與所述儲能單元15相連接，且在本實施例一中，各該開關元件2211和2212的另一端連至位于可見光感光層22中的浮動擴散區(Floating Diffusion,FD) 352(實施例一中，本發明圖像傳感器為4T型，感光元件(PN結光電二極管)222的N型區通過轉移晶體管(Transfer Transistor, TX) 342連接至浮動擴散區352),但并不局限于此，在另一實施例中，當本發明圖像傳感器為3T型時，各該開關兀件2211和2212的另一端連至PN結光電二極管222的N型區；在本實施例一中，如圖I所示，所述紫外光感光層23中包括開關元件2311和2312以及連接于二者之間的一個感光元件(PN結光電二極管)232，其中，在所述紫外光感光層23中，通過對碳化硅(SiC)進行摻雜形成碳化硅PN結光電二極管感光元件(PN結光電二極管)232，包括P型區和N型區，所述P型區接地，所述開關元件2311的一端與所述像素讀出單元3相連接，所述開關元件2312的一端與所述儲能單元15相連接，且在本實施例一中，各該開關元件2311和2312的另一端連至位于紫外光感光層23中的浮動擴散區(Floating Diffusion, FD) 353 (實施例一中，本發明圖像傳感器為4T型，感光元件(PN結光電二極管)232的N型區通過轉移晶體管(Transfer Transistor, TX) 343連接至浮動擴散區353)，但并不局限于此，在另一實施例中，當本發明圖像傳感器為3T型時，各該開關元件2311和2312的另一端連至PN結光電二極管232的N型區。
需要特別指出的是，不同波長的光在同一半導體材料中具有不同的響應特性，只有當半導體能帶寬度Ee小于入射光的光子能量Eph(Eph = h U = hc/ λ )時,半導體才會吸收光子并產生電子-空穴對，不同半導體材料對不同波長光吸收的強弱可用吸收系數a表示，P(x) = PtlXexp(^ax),其中，Pci為入射光強度，P(X)為半導體內光程x處光強度，當x=I時，P(d) =PtlXe,定義d為光子穿透深度。吸收系數a = a( λ)是波長的函數，它強烈依賴于波長，吸收系數隨波長的減小而迅速增大，即半導體材料要吸收不同波長的光，需要不同的入射光程，波長越短，半導體材料對光的吸收系數越大，完全吸收入射光、實現光電轉換需要入射光在半導體內傳輸的有效光程越短，反之則越長。換言之，不同波長的入射光在同一半導體材料中被吸收時，各該不同波長的入射光進入半導體材料的深度不同。
為了便于同時吸收不同波段的光，使本發明的圖像傳感器具有檢測不同波段光的能力，則本發明用以吸收光的所述感光疊層2采用疊層結構，由于各該感光層在感光疊層2中所處的位置不同，因此當各該感光層為同種半導體材料時也可以吸收不同波段的光。如圖3所示，在本實施例一中，紫外光、可見光和紅外光為三個波段不同的光，其中波長相對最短的紫外光在距離入射表面較近的Cl1位置幾乎全部被吸收，可見光在距離入射表面相對居中的d2位置(d2相對于Cl1和d3，位于中間位置)幾乎全部被吸收，而三個波段中波長相對最長的紅外光主要在距離入射表面較遠的d3位置幾乎全部被吸收。鑒于上述理論，在本實施例一中，所述的紫外光感光層23層疊在可見光感光層22上,位于感光疊層2中上層部分，用以將紫外光在距離入射面(感光疊層2的表面)的較近的位置幾乎全部被吸收，紫外光感光層23的底部距入射面(感光疊層2的表面)的距離r3 (或紫外光感光層為復合感光層，其各子層的厚度總和)在O和d2之間；所述的可見光感光層22層疊在所述紅外光感光層21上，位于感光疊層2的中層部分，用以將可見光在距離入射面(感光疊層2的表面)的相對居中的位置幾乎全部被吸收，可見光感光層22的底部距入射面(感光疊層2的表面)的距離r2 (或可見光感光層為復合感光層，其各子層的厚度總和)在1*3和d3之間；所述的紅外光感光層21層疊覆蓋在襯底層I上，位于感光疊層2中下層部分，用以將紅外光在距離入射面(感光疊層2的表面)的較遠的位置幾乎全部被吸收，紅外光感光層21的底部距入射面(感光疊層2的表面)的距離(或紅外光感光層為復合感光層，其各子層的厚度總和)大于r2。同理，在另一實施例中，對可見光而言，由于藍光、綠光和紅光的波長為遞增情況，因此藍光吸收在最靠近入射面(感光疊層2的表面)的區域，紅光的吸收則集中在距離入射面(感光疊層2的表面)較遠的內部區域，綠光的吸收區域介于二者之間。需要進一步說明的是，通常半導體的禁帶寬度與某一波段光的光子能量相匹配時，該波段光可以被很好的吸收，因此，所述感光疊層2中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，其中，在本實施例一中，為了更好的吸收紫外光，紫外光感光層23采用禁帶寬度比較大的材料碳化硅；為了更好的吸收可見光，可見光感光層22采用中等禁帶寬度的材料硅；為了更好的吸收紅外光，紅外光感光層21采用禁帶寬度最小的材料鍺。所述像素讀出單元3(未圖示)位于襯底層I中或位于所述感光疊層2中的至少一個感光層中，用以將所述感光疊層2獲得的包含像素信息的電信號(各該感光元件在曝光時進行光電轉換將接收到的光信號轉換成包含像素信息的電信號)，受電流源單元13影響經列總線11和放大器12讀出至圖像處理單元14，至少包括連接所述感光層的復位晶體管31 (Reset Transistor, RST)、連接所述復位晶體管31及感光層的源跟隨晶體管
32(Source Follower Transistor, SF),以及連接所述源跟隨晶體管32的行選擇晶體管
33(Row Select, RS)，其中，所述的復位晶體管31、源跟隨晶體管32、及行選擇晶體管33均包括一個NMOS晶體管、多個并聯或串聯的NMOS晶體管、一個PMOS晶體管、或多個并聯或串聯的PMOS晶體管中的一種。 需要指出的是，所述自供能CMOS圖像傳感器為3T型圖像傳感器或4T型圖像傳感器，其中，所述4T型圖像傳感器的像素讀出單元3(未圖示)還包括位于各該感光層中對應各自感光元件的轉移晶體管(Transfer Transistor, TX) 341 343和浮動擴散區(Floating Diffusion，FD) 351 353，其中，所述的轉移晶體管包括一個NMOS晶體管、多個并聯或串聯的NMOS晶體管、一個PMOS晶體管、或多個并聯或串聯的PMOS晶體管中的一種。在本實施例一中，所述自供能CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，所述的復位晶體管31、源跟隨晶體管32、行選擇晶體管33、及轉移晶體管34均為一個NMOS晶體管。但不局限與此，在另一實施例中，所述像素讀出單元3中的晶體管可為上述串/并聯情況或PMOS情況。需要指出的是，所述像素讀出單元3位于襯底層I中或位于所述感光疊層2中的至少一個感光層中，如圖l、4a和4b所示存在以下幾種情況如圖I所示，所述像素讀出單元3位于所述的感光疊層2的一個感光層中，所述感光疊層2的所有感光元件共用所述像素讀出單元3，且各該感光元件與所述像素讀出單元3之間通過各該感光元件對應的一個開關元件連接，其中，所述的感光疊層2與像素讀出單元3形成一像素模塊5 ；如圖4a所示，所述的像素讀出單元3位于襯底層I中，所述感光疊層2的所有感光元件共用所述像素讀出單元3，其中，所述感光疊層2即為一像素模塊5 ；如圖4b所示，多個所述像素讀出單元3分別位于所述的感光疊層2的多個感光層中，所述感光疊層2的所有感光元件的包含像素信息的電信號通過所述的多個像素讀出單元3讀出，且所述的感光疊層2的每個感光元件通過其各自對應的一個開關元件只與一個所述像素讀出單元3連接，其中，所述的感光疊層2與多個所述像素讀出單元3形成一像素模塊5。換言之，分別位于所述的感光疊層2的多個感光層中的多個所述像素讀出單元3中，在一個實施例中，如圖4b所示，所述一個像素讀出單元3各對應一個感光元件，即每個所述感光元件通過其各自對應的一個開關元件與其對應所述像素讀出單元3相連接；在另一個實施例中，存在一個像素單元3對應多個感光元件的情況，即共用一個所述像素讀出單元3的各該感光元件通過其各自對應的一個開關元件與其對應的共用的像素讀出單元3相連接。需要進一步指出的是，多個所述的像素模塊5形成像素模塊陣列6 (未圖示)，所述的像素模塊陣列6的包含像素信息的電信號經由所述的像素讀出單元3、列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對所述包含像素信息的電信號進行圖像處理。
具體地，在本實施例一中，如圖I所示，所述像素讀出單元3位于所述的感光疊層2的一個感光層中，其中所述感光層為可見光感光層22(未在半導體結構圖2c中圖示像素讀出單元3的具體結構)，所述感光疊層2的所有感光元件(PN結光電二極管212 232)共用所述像素讀出單元3，所述自供能CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，則各該感光元件(PN結光電二極管212、222及232)各自對應的浮動擴散區351 353與所述像素讀出單元3之間通過各該感光元件對應的一個開關元件2111、2211及2311相連接，即所述的PN結光電二極管212對應的浮動擴散區351通過開關元件2111與所述像素讀出單元3相連接，所述的PN結光電二極管222對應的浮動擴散區352通過開關元件2211與所述像素讀出單元3相連接，所述的PN結光電二極管232對應的浮動擴散區353通過開關元件2311與所述像素讀出單元3相連接。所述的感光疊層2與像素讀出單元3形成一像素模塊5，進一步，多個所述的像素模塊5形成像素模塊陣列6 (未圖示)，所述的像素模塊陣列6的包含像素信息的電信號經由所述的像素讀出單元3、所述列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對所述包含像素信息的電信號進行圖像處理。需要特殊說明的是，在本實施例一中，所述自供能CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，且各該感光層的感光元件(PN結光電二極管212、222及232)共用所述像素讀出單元3，如圖I所示，所述像素讀出單元3中的各該晶體管的連接方式如下所述復位晶體管31用于本發明圖像傳感器在曝光前對所述感光元件(PN結光電二極管212、222及232)進行復位，其中，所述的各該感光層中的各個感光元件(PN結光電二極管212、222及232)各自對應的浮動擴散區351 353與復位晶體管31之間分別通過各該開關元件2111、2211及2311相連接，且復位功能由復位信號Reset信號(圖I中的RST端點)進行控制。在圖I中，所述復位晶體管31為一個NMOS晶體管，由于所述自供能CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，所述復位晶體管31的源極與各該開關元件2111、2211及2311的一端相連接，且各該開關元件2111、2211及2311的另一端與分別位于各該感光層中對應各自感光元件(PN結光電二極管212、222及232)的浮空擴散區(FD) 351、352及353相連接，即各該開關元件2111、2211及2311分別將所述復位晶體管31的源極與位于各該感光層中對應各自感光元件(PN結光電二極管212、222及232)的浮空擴散區(FD)351、352及353相連接；所述復位晶體管31的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。所述源跟隨晶體管32借助于所述電流源單元13提供的恒定電流，使其柵源電流(Ids)保持恒定，以供保證源極電壓與柵極電壓差恒定，從而達到源電壓跟隨柵極電壓的目的，用于讀出所述感光元件(PN結光電二極管212、222及232)經過光電轉換產生的包含像素信息的電信號。在圖I中，所述源跟隨晶體管32為一個NMOS晶體管，由于所述自供能CMOS圖像傳感器為4T型圖像傳感器，所述源跟隨晶體管32的柵極與所述的各該感光層中的各個感光元件(PN結光電二極管212、222及232)各自對應的浮動擴散區351、352及353分別通過各該開關元件2111、2211及2311相連接，此時所述的源跟隨晶體管32的柵極、復位晶體管31的源極均與各該開關元件2111、2211及2311的一端相連接。所述源跟隨晶體管32的漏極接所述電源Vdd，所述源跟隨晶體管32的源極為輸出包含像素信息的電信號的輸出端。所述行選擇晶體管33用于將所述源跟隨晶體管32的源極輸出的包含像素信息的電信號輸出。在圖I中，所述行選擇晶體管M3選用一 NMOS管，所述行選擇晶體管33的柵極接行選擇信號RS，所述行選擇晶體管33的漏極接所述源跟隨晶體管32的源極，所述行選擇晶體管33的源極為輸出端。所述轉移晶體管341、342及343用于將所述PN結光電二極管212、222及232產生的包含像素信息的電信號通過浮動擴散區351、352及353和開關元件2111、2211及2311輸入到所述的源跟隨晶體管32的柵極和復位晶體管31的源極相連接處。在實施例一中，如圖I所示，所述轉移晶體管341、342及343選用一 NMOS晶體管，所述轉移晶體管341、342及343的柵極接轉移信號TX，所述轉移晶體管341、342及343的源極(未圖示)接所述PN結光電二極管212、222及232的N型區，所述轉移晶體管341、342及343的漏極通過浮動擴散區351、352及353接源跟隨晶體管32的柵極和復位晶體管31的源極相連接處。在闡述工作原理之前，需要說明的是，由于各該開關元件均為NMOS晶體管，當開關元件的柵極為高電平時，則開關元件處于導通狀態(即開關閉合)，當開關元件的柵極接地時，則開關元件處于斷開狀態(即開關打開)。通過開關元件2111、2211及2311選擇不同感光層的進行包含像素信息的電信號的讀出，通過開關元件2112、2212及2312選擇將不同感光層經過光電轉換的電荷導出到所述儲能單元15，通過所述電源轉換電路轉換為合適的電壓并進行保存，當需要自供能時，將保存的電壓連接至像素讀出單元3所需的電源Vdd，為所述像素讀出單元3提供漏極電壓Vdd，為所述CMOS圖像傳感器實現自供電源功能。以只讀取紫外光感光層23的包含像素信息的電信號、存儲可見光感光層22和紅外光感光層21通過其各自的感光元件光電轉換的電荷為例，進行說明所述 自供能CMOS圖像傳感器的工作原理選擇自然光為光源，在曝光前，將所述開關元件2312的柵極接地使其處于斷開狀態(即開關打開)，則所述位于所述紫外感光層23中對應感光元件(PN結光電二極管232)的浮空擴散區(FD) 353與所述儲能單元15斷開，不存儲所述紫外光感光層23的光電轉換的電荷，同時，為所述開關元件2311的柵極提供高電平使其處于導通狀態(即開關閉合)，則位于所述紫外感光層23中對應感光元件(PN結光電二極管232)的浮空擴散區(FD) 353連接到所述復位晶體管31的源極；當所述復位晶體管31的復位信號Reset為高電平時，所述復位晶體管31導通，則所述PN結光電二極管232通過與其對應的轉移晶體管343 (其柵極接轉移信號TX，其源極接所述PN結光電二極管232的N型區，未圖示)和浮動擴散區353連接到復位晶體管31的漏極電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述PN結光電二極管232反偏并會清除所述PN結光電二極管232的全部累積的電荷，實現復位。所述源跟隨晶體管32的漏極接所述電源Vdd，當所述自供能CMOS圖像傳感器實現復位后，選擇自然光為光源進行曝光，位于紫外光感光層23的感光兀件(PN結光電二極管232)進行光電轉換，將接收到的光信號轉換成包含像素信息的電信號，由于開關元件2312呈斷開狀態(開關元件柵極接地)且開關元件2311呈導通狀態(開關元件柵極接高電平)，則通過與PN結光電二極管232對應的轉移晶體管343 (其柵極接轉移信號TX，其源極接所述PN結光電二極管232的N型區，未圖示)和浮動擴散區353連接到所述源跟隨晶體管32的柵極，在所述電源Vdd及電流源單元13的作用下，所述源跟隨晶體管32的源極輸出包含像素信息的電信號至所述行選擇晶體管33的漏極。所述行選擇晶體管33的柵極接行選擇信號RS，其漏極為輸入端連接所述源跟隨晶體管32的源極，其中，源極為輸出端。所述行選擇晶體管33用于將所述源跟隨晶體管32的源極輸出的包含像素信息的電信號輸出至列總線11。同時，選擇自然光為光源進行曝光時，將開關元件2211和2111的柵極接地使其處于斷開狀態(即開關打開)，為開關元件2212和2112的柵極提供高電平使其處于導通狀態(即開關閉合)，使可見光感光層22和紅外光感光層21對應的PN結光電二極管222和212經光電轉換獲得電荷，通過開關元件2212和2112導出到所述儲能單元15。所述的感光疊層2的各個感光層與其共用的像素讀出單元3形成一像素模塊5，多個所述的像素模塊5形成像素模塊陣列6 (未圖示)。所述的像素模塊陣列6的各個紫外光感光層23的包含像素信息的電信號經由所述的像素讀出單元3、所述列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對所述包含像素信息的電信號進行圖像處理；所述的像素模塊陣列6的各個可見光感光層22和紅外光感光層21獲得的電荷，通過開關元件2212和2112導出到所述儲能單元15，且通過其中的所述電源轉換電路轉換為合適的電壓并進行保存，當需要自供能時，將保存的電壓連接至像素讀出單元3所需的電源Vdd，為所述像素讀出單元3提供漏極電壓Vdd，為所述CMOS圖像傳感器實現自供電源功能。同理，在本實施例一中，若只需讀取可見光感光層22或紅外光感光層21的包含像素信息的電信號，且同時存儲紅外光感光層21和紫外光感光層23、或存儲可見光感光層22和紫外光感光層23中其對應的感光元件光電轉換的電荷，僅需要調整開關元件2211、2112及2312為導通狀態(即開關元件柵極加高電壓)且同時開關元件2212、2111及2311為斷開狀態(即 開關元件柵極接地)、或調整開關元件2111、2212及2312為導通狀態(即開關元件柵極加高電壓)且同時開關元件2112、2211及2311為斷開狀態(即開關元件柵極接地)即可。本發明提供一種自供能CMOS圖像傳感器，采用了無濾光片的設計，降低成本的同時也避免了濾光片引起的圖像質量變差等問題；采用層疊式結構的感光疊層，使所需電路結構可以做在單獨的一層上(襯底層)，從而大大提高填充因子，進一步提高圖像的質量，同時，由于采用層疊式結構的感光疊層，使一個像素具有檢測不同波段光的能力，一次曝光可以同時獲得紫外光、可見光和紅外光等信息，一方面，可以通過一塊芯片獲得多種信息，不僅降低了成本及復雜度，而且大大提高了轉換的效率和圖像質量，另一方面，在讀出所需信息的同時，可以有選擇地將不同感光層所產生的剩余電荷保存起來，并通過電源轉換電路為整個圖像傳感器提供電源，以實現自供能的功能，充分利用光的能量，并增強了圖像傳感器的適應能力。實施例二實施例二與實施例一采用基本相同的技術方案，即實施例二與實施例一提供的自供能CMOS圖像傳感器包括的組件、組件間的相關連接方式和及其工作原理基本相同，不同之處在于實施例二中的自供能CMOS圖像傳感器為3T型，且像素讀出單元3’位于襯底層中，感光疊層2’用于吸收三個波段光的三個感光層中，第一感光層為紅光感光層21’，第二感光層為綠光感光層22’、第三感光層為藍光感光層23’，且各該感光層均為硅(Si)材料。需要特別指出的是，不同波長的光在同一半導體材料中具有不同的響應特性，半導體材料要吸收不同波長的光，需要不同的入射光程，波長越短，完全吸收入射光、實現光電轉換需要入射光在半導體內傳輸的有效光程越短，反之則越長。為了便于同時吸收不同波段的光，使本發明的圖像傳感器具有檢測不同波段光的能力，則本發明用以吸收光的所述感光疊層采用疊層結構，由于各該感光層在感光疊層中所處的位置不同，因此當各該感光層為同種半導體材料時也可以吸收不同波段的光。對可見光而言，由于藍光、綠光和紅光的波長為遞增情況，因此藍光吸收在最靠近入射面(感光疊層的表面)的區域，紅光的吸收則集中在距離入射面(感光疊層的表面)較遠的內部區域，綠光的吸收區域介于二者之間。因此，在本實施例二中，用于吸收第一波段光(紅光)的第一感光層(紅光感光層21’)層疊覆蓋在所述襯底層I上，位于感光疊層2’的最下層；用于吸收第二波段光(綠光)的第二感光層(綠光感光層22’)層疊在所述第一感光層(紅光感光層21’)上；用于吸收第三波段光(藍光)的第三感光層(藍光感光層23’ )層疊在所述第二感光層(綠光感光層22’ )上,位于感光疊層2’的最上層。本實施例二中的等效電路5與實施例一中的等效電路I基本相同。相比于實施例一中的4T型自供能CMOS圖像傳感器，實施例二中的3T型自供能CMOS圖像傳感器的像素讀出單元3’缺少了實施例一中轉移晶體管(TX)和浮動擴散區(FD);相比于實施例一中的像素讀出單元3位于實施可見光感光層22中，實施例二中的像素讀出單元3’位于襯底層I中。具體的不同之處如下請參閱圖5，在本實施例二中，本發明提供的自供能CMOS圖像傳感器為3T型，則像素讀出單元3’包括復位晶體管31’、源跟隨晶體管32’、以及行選擇晶體管33’，同時在本實施例二中，像素讀出單元位于襯底層I中，所述感光疊層2’的所有感光元件(PN結光電二極管212’、222’及232’ )共用所述像素讀出單元3’，其中，所述感光疊層2’即為一像素模塊5，。如圖5所示，在本實施例二中，位于所述紅光感光層21’的各該開關元件2111’ 和2112’連至PN結光電二極管212’的N型區；位于所述綠光感光層22’的各該開關元件 2 211’和2212’連至PN結光電二極管222’的N型區；位于所述藍光感光層23’的各該開關元件2311’和2312’連至PN結光電二極管232’的N型區。進一步，如圖5所示，在本實施例二中，所述像素讀出單元3’的復位晶體管31’的源極與各該開關元件2111’、2211’及2311’的一端相連接，且各該開關元件2111’、2211’ 及2311’的另一端與分別位于各該感光層21’、22’、23’中各自感光元件(PN結光電二極管 212’、222’及232’)的N型區相連接；所述像素讀出單元3’的源跟隨晶體管32’的柵極與所述的各該感光層中的各個感光元件(PN結光電二極管212’、222’及232’)各自的N型區分別通過各該開關元件2111’、2211’及2311’相連接，此時所述的源跟隨晶體管32’的柵極、復位晶體管31’的源極均與各該開關元件2111’、2211’及2311’的一端相連接。為進一步闡明本發明在實施例二中的工作原理，復請參閱圖5，以只讀取藍光感光層23’的包含像素信息的電信號、存儲綠光感光層22’和紅光感光層21’通過其各自的感光元件光電轉換的電荷為例，進行說明所述自供能CMOS圖像傳感器在本實施例二中的工作原理選擇自然光為光源，在曝光前，當開關元件2312’呈斷開狀態(開關元件柵極接地)且開關元件2311’呈導通狀態(開關元件柵極接高電平)時，為所述復位晶體管31’ 的復位信號Reset提供高電平，則所述復位晶體管31’導通，所述PN結光電二極管232’的 N型區通過復位晶體管31’連接到其漏極電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述PN結光電二極管232’反偏并清除所述PN結光電二極管232’的全部累積的電荷，實現復位。所述源跟隨晶體管32’的漏極接所述電源Vdd，當所述自供能CMOS圖像傳感器實現復位后，選擇自然光為光源進行曝光，位于藍光感光層23’的感光兀件(PN結光電二極管232’ )進行光電轉換，將接收到的光信號轉換成包含像素信息的電信號，由于開關元件 2312’呈斷開狀態(開關元件柵極接地)且開關元件2311’呈導通狀態(開關元件柵極接高電平)，則將PN結光電二極管232’的N型區連接到所述源跟隨晶體管32’的柵極，在所述電源Vdd及電流源單元13的作用下，所述源跟隨晶體管32’的源極輸出包含像素信息的電信號至所述行選擇晶體管33’的漏極。所述行選擇晶體管33’的柵極接行選擇信號RS，其漏極為輸入端連接所述源跟隨晶體管32’的源極，其中，源極為輸出端。所述行選擇晶體管33’用于將所述源跟隨晶體管 32’的源極輸出的包含像素信息的電信號輸出至列總線11。同時，選擇自然光為光源進行曝光時，將開關元件2211’和2111’的柵極接地使其處于斷開狀態(即開關打開)，為開關元件2212’和2112’的柵極提供高電平使其處于導通狀態(即開關閉合)，使綠光感光層22’和紅光感光層21’對應的PN結光電二極管222’ 和212’經光電轉換獲得電荷，通過開關元件2212’和2112’導出到所述儲能單元15。所述的感光疊層2’的各個感光層與其共用的位于襯底層I的像素讀出單元3’形成一像素模塊5’，多個所述的像素模塊5’形成像素模塊陣列6’ (未圖示)。所述的像素模塊陣列6’的各個藍光感光層23’的包含像素信息的電信號經由所述的像素讀出單元3’、所述列總線11及放大器12傳輸至圖像處理單元14，以對所述包含像素信息的電信號進行圖像處理；所述的像素模塊陣列6’的各個綠光感光層22’和紅光感光層21’獲得的電荷，通過開關元件2212’和2112’導出到所述儲能單元15，且通過其中的所述電源轉換電路轉換為合適的電壓并進行保存，當需要自供能時，將保存的電壓連接至像素讀出單元3’所需的電源Vdd，為所述像素讀出單元3’提供漏極電壓Vdd，為所述CMOS圖像傳感器實現自供電源功能。同理，在本實施例二中，若只需讀取綠光感光層22’或紅光感光層21’的包含像素信息的電信號，且同時存儲紅光感光層21’和藍光感光層23’、或存儲綠光感光層22’和藍光感光層23’中其對應的感光元件光電轉換的電荷，僅需要調整開關元件2211’、2112’及 2312’為導通狀態(即開關元件柵極加高電壓)且同時開關元件2212’、2111’及2311’為斷開狀態(即開關元件柵極接地)、或調整開關元件2111’、2212’及2312’為導通狀態(即開關元件柵極加高電壓)且同時開關元件2112’、2211’及2311’為斷開狀態(即開關元件柵極接地)即可。綜上所述，本發明提供一種自供能CMOS圖像傳感器，采用了無濾光片的設計，降低成本的同時也避免了濾光片引起的圖像質量變差等問題；采用層疊式結構的感光疊層， 使所需電路結構可以做在單獨的一層上(襯底層)，從而大大提高填充因子，進一步提高圖像的質量，同時，由于采用層疊式結構的感光疊層，使一個像素具有檢測不同波段光的能力，一次曝光可以同時獲得藍光、綠光和紅光等信息，一方面，可以通過一塊芯片獲得多種信息，不僅降低了成本及復雜度，而且大大提高了轉換的效率和圖像質量，另一方面，在讀出所需信息的同時，可以有選擇地將不同感光層所產生的剩余電荷保存起來，并通過電源轉換電路為整個圖像傳感器提供電源，以實現自供能的功能，充分利用光的能量，并增強了圖像傳感器的適應能力。本發明提供的自供能CMOS圖像傳感器，可用以實現可見光的精準成像，將紅、藍、綠光感光器件制備在位于半導體襯底同一區域的不同疊層上，進一步提高了圖像傳感器的集成度。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的 原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于，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、用以圖像處理的圖像處理單元、及用于自供電源的儲能單元，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；所述儲能單元包括電荷儲存電路和電源轉換電路，以將儲存的電荷通過所述電源轉換電路轉換為合適的電壓，為所述CMOS圖像傳感器提供電源；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兩個開關元件以及連接于該兩個開關元件之間的一個感光元件； 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。
2.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于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。
3.根據權利要求2所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于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。
4.根據權利要求3所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于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。
5.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于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。
6.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層中的各該感光層為同種半導體材料。
7.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于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。
8.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于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。
9.根據權利要求8所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于各該感光子層之間具有絕緣層。
10.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光疊層的各該感光兀件為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。
11.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于所述像素讀出單元位于所述的感光疊層的一個感光層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，且各該感光元件與所述像素讀出單元之間通過各該感光元件對應的一個開關元件連接，其中，所述的感光疊層與像素讀出單元形成一像素模塊。
12.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于多個所述像素讀出單元分別位于所述的感光疊層的多個感光層中，所述感光疊層的所有感光元件對應所述的多個像素讀出單元，且所述的感光疊層的每個感光元件通過其各自對應的一個開關元件只與一個所述像素讀出單元連接，其中，所述的感光疊層與多個所述像素讀出單元形成一像素模塊。
13.根據權利要求I所述的自供能CMOS圖像傳感器，其特征在于所述的像素讀出單元位于襯底層中，所述感光疊層的所有感光元件共用所述像素讀出單元，其中，所述感光疊層即為一像素模塊。
全文摘要
本發明提供一種自供能CMOS圖像傳感器，至少包括襯底層、層疊覆蓋在襯底層上的感光疊層、以及像素讀出單元，其中，列總線、放大器、電流源單元、圖像處理單元、及用于自供電源的儲能單元位于襯底層中；感光疊層包括層疊覆蓋在所述襯底層上的用于吸收不同波段光的多個感光層，且各該感光層中至少包括兩個開關元件以及連接于該兩個之間的一個感光元件；像素讀出單元位于襯底層中或位于感光疊層中的至少一個感光層中。本發明采用無濾光片的層疊式結構的感光疊層，可實現一個像素具有檢測不同波段光的能力以及圖像傳感器自供能的功能，不僅降低了成本及復雜度，大大提高了圖像傳感器的轉換效率、圖像質量和集成度，而且在充分利用光的能量的同時增強了圖像傳感器的適應能力。
文檔編號H01L27/146GK102623476SQ20121011301
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者孫濤, 方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院