TWI353668B - Semiconductor color image sensor - Google Patents
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Description
1353668 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於諸如電荷耗合裝置（CCD)及互補金氧半導 體（CMOS)影像感測器之半導體彩色影像感測器。詳言 之，本發明係關於在較短波長下此等感測器之回應之改良 或關於該回應的改良。 【先前技術】
如所已知，半導體影像感測器包含半導體光感測器之— 陣列，該等半導體光感測器量測入射於其上之光之強度。 在一於色影像感測器中’使用一包含紅色光學帶通淚光 片、綠色光學帶通濾光片及藍色光學帶通濾光片之—陣列 的彩色濾光片陣列（CFA)為影像之每—像素量測紅（R)光分 量、綠（G)光分量及藍（B)光分量的組成^ CFA之個別淚光 月元件上覆於一各別光感測器使得每一光感測器量測一給 定顏色之光的光強度。在此等影像感測器中，一單一影像 像素因此包含用於賓測紅光組成、綠光組成及藍光組成之 至少二個光感測益。圖1中展示一彩色影像感測器1 〇之一 部分分解示意圖且包含一光感測器陣列〗2、一 CFA 14及微 透鏡之一陣列1 6 » 許多彩色影像感測器利用一拜耳（Bayer)圖案鎮嵌CFA， 其中綠色濾光片為紅色濾光片及藍色濾光片兩倍之多。此 概念在圖2中說明，其中CFA 20在一第一列22中具有在紅 色濾光片與綠色濾光片之間交替的圖案，及在一第二列24 中’具有在綠色濾光片與藍色濾光片之間交替的圖案。需 123751.doc 要綠色濾光片為紅色濾光片或藍色濾光片之兩倍之多係因 為人眼對綠光比對其他兩種顏色的光更敏感。因此，彩色 影像中之綠色之精確度更重要。由於CFA層14(圓1)中之一 彩色濾光片14A、14B、MC覆蓋感測器陣列12之一各別光 感測器12A、12B、12C，僅由濾光片透射之光可由彼特定 光感測器吸收及偵測。有時’將微透鏡之一陣列16提供於 CFA之頂部上，其中一各別微透鏡16A、16B、i6C上覆於 才目關聯之光感測器以收集及聚焦更多輻射，從而増加影 像感測器之敏感度。 諸如基於電荷耦合裝置（CCD)及互補金氧半導體（CM〇s) 之彼等技術的典型影像感測器技術對於與光譜之紅色區域 及綠色區域相比在可見光譜之較短（亦即，藍色及紫色）波 長區域中的光具較低回應度。此情形可部分地歸因於由透 鏡材料對此等波長之高吸收。此外，以此等波長之此較短 波長光在矽中可存在有限的穿透深度。不幸地，輻射之多 數在多晶矽閘極區域被吸收，同時非常少的輻射穿透至光 感測器之產生光電信號之通道區域中。 先前技術中已進行各種嘗試來減輕此等問題。此等嘗試 之一些已利用包括背面照明薄型裝置、針紮光電二極體， 及氧化姻錫（ITO)閘控CCD感測器的結構修改。此等方法 在知·波長光譜回應方面已達成相對良好的結果，但具有複 雜製造之高成本。此問題已變成如今需要便宜影像感測器 之數位彩色相機之暗敏感度及顏色品質的持續改良的瓶 頸。 123751.doc 1353668 【發明内容】
本發明之目標係、提供__種彩色影像感測器，其至少部分 地具有在可見光譜之較短波長下之一改良的敏感度。本： 明之實施例係基於將由一藍色遽光片透射之藍光轉換成： 綠色至紅色或甚至近紅外（IR)之範圍内的較長波長，對於 近紅外波長’矽摘測器具有一最佳敏感度。此係經由使用 一磷光體材料（光致發光或波長轉換）材料以吸收較短波長 輻射(光)並重發射該感測器更敏感之一較長波長的輻射： 達成。藉由使用-碟光體材料作為—光譜變換器（波長轉 換器）’能夠較好地匹配光感測器之最大光譜回應（量子效 率之峰值）且進而大大增強了影像感測器之效能。
已開發許多綠色磷光體、黃色磷光體及紅色磷光體用於 將由藍色LED所產生之藍光轉換成白光及/或其他顏色，且 可在本發明中利用此等磷光體，以在彼輻射到達像素之藍 色部分被定址（或指派給像素之藍色部分）之聚矽氧偵測器 區域之前，有效地將較短波長光（亦即，藍光）變換至較長 波長。多種薄層處理方法可用於在藍色濾光片與藍色定址 聚矽氧偵測器之間塗覆藍光激勵磷光體層。 根據本發明，一半導體彩色影像感測器包含：半導體光 感測器之一陣列；一彩色濾光片陣列，其包含紅色濾光片 元件、綠色濾光片元件及藍色濾光片元件之一陣列，盆中 每-據光片元件與該等光感測器之一各別光感測器相關 聯；及至少一麟光體材料，其與該等藍色滤光片元件之每 一者相關聯且經組態以吸收藍光並重發射一較長波長範圍 123751.doc 1353668 之光’該較長波長範圍之光隨後入射於與該藍色濾光片元 件相關聯之該光感測器上。 有利地，該麟光體材料經選擇使得該較長波長範圍之光 大體上匹配該等光感測器之光譜回應。 。。該影像感測器可進一步包含用於將光聚焦至該影像感測 器之該等光感測器上的微透鏡之—陣列，#中每_微透鏡 與該等光感測器之一各別光感測器相關聯。
在一實施例中，該影像感測器進—步包含—插入在該藍 色濾光片元件與該至少一磷光體材料之間的一波長選擇 層，該波長選擇層對藍光大體上為透明的且對該較長波長 範圍之光大體上為反射性的。此濾光片藉由重定向在朝^ 相關聯之光感測器之方向中之該較長波長光而改良了感測 器敏感度。
該至少一磷光體材料可以一或多層之形式提供於該彩色 濾光片陣列之該等藍色濾光片元件上。或者，該至少—磷 光體材料可以一或多層之形式提供於與該彩色濾光片陣列 之該等藍色滤光片元件相關聯的該等光感測器上。 較佳地，該彩色濾光片陣列包含彩色濾光片元件之一拜 耳圖案，其中綠色濾光片元件為紅色濾光片元件及藍色濾 光片元件兩倍之多。 填光體材料可包含任何適當無機磷光體材料且可包含 (例如）基於鋁酸鹽或矽酸鹽的磷光體材料。在一實施例 中，該至少一磷光體材料可包含一通式為（SrMl)2Si(〇Dk Eu之綠黃色基於矽酸鹽的磷光體，其中mi為Ba、Ca、Mg 123751.doc 1353668 或Zn且D為F、Cl、S或N，且其經組態以發射在520至575 nm之一波長範圍内的光。 在另一實施例中’該至少一填光體材料可包含一通式為 (SrMl)3Si(OD)5:Eu之燈紅色基於石夕酸鹽的鱗光體，其中 Ml為Ba、Ca、Mg或Zn且D為F、Cl、S或]sr，且其經組態 以發射在580至63 0 nm之一波長範圍内的光。 在又一實施例中’該至少一填光體材料可包含一通式為 (YMUKAllV^hO]2之綠黃色基於鋁酸釔石榴石的碟光體， 其中Ml為Tb、Gd、Sm或La且M2為Ga或In，且其經組態以 發射在540至580 nm之一波長範圍内的光。 在又一實施例中，該至少一構光體材料可包含一通式為 (SrMl)SisN8之紅色基於氮化矽的磷光體，其中河丨為心、 Ca、Mg或Zn，且其經組態以發射在590至700 nm之一波長 範圍内的光。 在又一實施例中’該至少一磷光體材料可包含一通式為 (SrMl)S之紅色基於硫酸鹽的磷光體，其中Ml為Ca、Ba或 Mg，且其經組態以發射在600至650 nm之一波長範圍内的 光。 在又一實施例中’該至少一磷光體材料可包含一通式為 (SrMl)(GaM2)2S4:Eu之綠色基於硫酸鹽的磷光體，其中Ml 為Ca、Ba、或Mg且M2為A1或In，且其經組態以發射在wo 至550nm之一波長範圍内的光。 本發明之影像感測器發現半導體光感測器之陣列包含— 互補金氧半導體（CMOS)裝置或電荷耦合裝置（CCD)的特定 123751.doc • ]0- 1353668 應用》
在另一實施例中，影像感測器進一步包含至少一磷光體 材料’該至少—磷光體材料與該等綠色濾光片元件之每一 者相關聯且經組態以吸收綠光並重發射一較長波長範圍之 光’該較長波長範圍之光隨後入射於與該綠色濾光片元件 相關聯之光感測器上。此外，影像感測器可進一步包含至 少一碳光體材料’該至少一磷光體材料與該等红色濾光片 元件之每一者相關聯且經組態以吸收紅光並重發射一較長 波長範圍之光’該較長波長範圍之光隨後入射於與該紅色 濾光片元件相關聯之光感測器上。 【實施方式】 參看圖3 ’展示根據本發明之一彩色影像感測器3〇〇之示
意圖。如同已知之彩色影像感測器一樣，本發明之該影像 感測器包含一基板310，通常為矽，在其上表面上具有光 感測器320之一陣列。該等光感測器32〇可包含互補金氧半 導體（CMOS)裝置、電荷耦合裝置（CCD)或此項技術中已知 之其他光偵測窃。一彩色濾光片陣列（CFA)33〇提供於該光 感測器陣列的頂部且包含紅色（R)濾光片元件332、綠色 (G)濾光片元件334及藍色（B)濾光片元件336之一陣列。如 所已知，該CFA 330經組態使得一各別濾光片元件上覆於 -相關聯之光感測器320。CFA可包含紅色渡光片元件、 綠色遽光片元件及藍色據光片元件之一拜耳鎮嵌圖案，其 中綠色滤光片元件為紅色漉光片元件及藍色遽光片元件兩 倍之多，如（例如）圖2中所說明。每—滤光片元件包含一光 123751.doc -11 - 1353668 學特定波長通過（bandpass)濾光片，其中紅色濾光片元件 特徵彔色;慮光片元件特徵及藍色渡光片元件特徵經選擇 使得其具有含蓋可見光譜之重疊特徵。此項技術上熟知此 等據光片之構造且因此不進一步對其進行描述。視需要， • · 存在微透鏡之一陣列340，其中每一微透鏡與該等光感測 • 器之一各別光感測器相關聯。 與已知彩色影像感測器對比，本發明之影像感測器進一 • 步包含一與藍色濾光片元件336之每一者相關聯的磷光體 材料350。該磷光體材料被提供為一覆蓋於相關聯之光感 測器之感光表面的層且可直接沈積至光感測器上或沈積至 CFA 330之藍色濾光片元件336上。如所已知，磷光體（光 致發光或波長轉換）材料吸收一波長之輻射並再發射一較 長波長之輻射。在操作中，磷光體材料吸收由藍色濾光片 元件所發射之光並重發射一較長波長之光，舉例而言，綠 色 '黃橙色或近IR，其由相關聯之光感測器偵測。 • 通常，磷光體為化學組合物，其中稀土元素用於摻雜一 結晶主體材料。磷光體之發射波長可由主體材料及稀土摻 雜劑之特定選擇兩者來調整。磷光體之發射波長部分地由 與磷光體之局部晶場相關聯的電子_聲子交互作用（例如 ， 晶格振動）來確定。藉由選擇一磷光體，其具有對幾乎所 有小於其吸收邊緣（例如，較高能量）之波長的光有強吸 收，該磷光體藉由再發射一較長波長範圍的光子，其對感 測器之光譜回應有較佳匹配（例如，較低能量）光譜頻移= (波長轉換器）。詳言之，該光譜回應為其匹配被需要之光 123751.doc *12· 譜回應之最大值。所要之較低能量（及/或較長波長）處於用 於習知CCD及CMOS影像感測器之電磁波譜的近紅外（IR) 區域。由於光感測器最佳回應處於近IR中，故本發明之彩 色影像感測器可進一步包括一 IR阻斷濾光片以防止光感測 器因IR輻射飽和。可將該IR阻斷濾光片併入至Cfa中，提 供為一單獨濾光片元件或組合在微透鏡陣列中。 在一實施例中，磷光體350具有吸收可見光之藍紫色部 分及再輻射此能量之至少一部分作為近汛區域中之發光的 性質。該再輻射之發光可具有一具有約78〇至9〇〇 nm之 峰值的相對寬的發射；此為基於矽之Ccd或CMOS影像感 測器通常具有其最大光譜回應的區域。常常’此回應可超 過約百分之90之量子效率。 可能需要使磷光體之轉換效率盡可能接近百分之1〇〇。 磷光體發光之各向同性性質意味著磷光體將在遠離光感測 器之方向中發射其輻射的約百分之50。幸運地，磷光體之 發射之發光的此部分之一部分可經由磷光體層與空氣界面 處之全内反射朝向感測器來重定向。視光學之設計而定， 將被恢復之發光之量可為高達百分之20至25。此實施例可 導致彩色影像感測器之光譜回應之超過約百分之20的總改 良。為進一步直接輔助由磷光體所產纟之光朝肖其相關聯 之光感測n，影像感測ϋ可進—步包括—插人在該藍色滤 光片凡件與該至少一磷光體材料之間的波長選擇層，該波 長選擇層對於藍光大體上為4明的且對於該較長波長範圍 之光大體上為反射性的。 123751.doc 重要的係應注意，來自彩色影像光感測器之一陣列之 (多個）編碼彩色信號不料關於原始顏色的任何實際波長 資訊舉例而δ ’若成像—主要撥色，則紅色光感測器將 僅將該光偵測為紅光之一強度 '然而，綠色光感測器將亦 偵測此橙光之一些部分且量測本質上為綠光之部分的強 度。此光量測系統僅由於光學彩色濾光片元件本質上為帶 通濾光片而工作，且因此擁有有限的選擇性。若其為本質 上離散的單色濾光片，則彩色成像系統可能失敗。此現象 突出了成像系統之比例性質；亦即，彩色濾光片元件之重 疊及逐漸分級；所有三個濾光片元件具有可見光譜之已知 加權比例。 在一實施例中，磷光體材料包含一通式為 (SrMl)2Si(OD)4:Eu之綠黃色基於矽酸鹽的磷光體，其中 Ml為鋇（Ba)、鈣（Ca)、鎂（Mg)或鋅（Zn)，且D為氟（F)、氣 (C1)、硫（S)或氮（N)且其經組態以發射在520至575 nm之一 波長範圍内的光。圖4展示在峰值發射波長為45〇 nm之藍 色LED激勵下9個此等鱗光體的發射光譜。該圖係關於由 美國加利福利亞的夫利蒙（Fremont)之Intematix Corporation所生產之磷光體及磷光體名稱（例如， G2563) ’其中初始字母指示顏色（例如，g指示綠色）且數 字為用於發射峰值之色度CIE(x，y)座標。 在另一實施例令’該至少一磷光體材料可包含一通式為 (SrMl)3Si(OD)5:Eu之橙紅色基於矽酸锶（Sr)的磷光體，其 中Ml為Ba、Ca、Mg或Zn且D為F、Cl、S或N，且其經組 123751.doc -14 - 1353668 態以發射在580至630 nm之一波長範圍内的光。圖5展示在 峰值發射波長為450 nm藍色LED激勵下3個此等磷光體的 發射光譜。 在另一實施例中，該至少一磷光體材料可包含一通式為 (YMl^All^hCh2之綠黃色基於鋁酸釔（Y)石榴石的磷光 體，其中Ml為铽（Tb)、釓（Gd)、釤（Sm)或鑭（La)及M2為鎵 (Ga)或銦（In)，且其經組態以發射在540至580 nm之一波長 範圍内的光。圖6展示在峰值發射波長為460 nm之藍色 LED激勵下的此磷光體之發射光譜。 在又一實施例中’該至少一磷光體材料可包含一通式為 (SrMl)Si5N8之紅色基於氮化矽的磷光體，其中Ml為Sr、 Ca、Mg或Zn ’且其經組態以發射在590至700 nm之一波長 範圍内的光。圖7展示在峰值發射波長為450 nm之藍色 LED激勵下的此磷光體之發射光譜。 在又一實施例中’該至少一磷光體材料可包含一通式為 (SrMl)S之紅色基於硫酸鹽的磷光體，其中Ml為Ca、Ba或 M g ’且其經組態以發射在6 0 0至6 5 0 n m之一波長範圍内的 光。圖8展示在峰值發射波長為450 nm之藍色LED激勵 下，兩個此等磷光體的發射光譜。 在又一實施例中’該至少一磷光體材料可包含一通式為 (SrMl)(GaM2)2S4:Eu之綠色基於硫酸鹽的磷光體，其中M1 為Ca、Ba、或Mg且M2為A1或In ’且其經組態以發射在520 至550 nm之一波長範圍内的光。 應瞭解’本發明不限制於所描述之特定實施例且可進行 123751.doc •15· 在本發明之範疇内的變化。舉例而言，在其他實施例中， 亦可包括磷光體材料用於綠色濾光片元件及/或紅色濾光 片凡件以最佳化用於此等波長之影像感測器回應。 【圖式簡單說明】 圖1為一先前技術彩色影像感測器之部分分解示意圖； 圖2為一拜耳濾光片鑲嵌彩色濾光片陣列（CFA)之示意 圖； 圖3為根據本發明之一彩色影像感測器之示意圖； 圖4展示在峰值發射波長為45〇 nm之藍色led激勵下的 關於Intematix Corporation之綠黃色矽酸鹽磷光體G2563、 G3261、G3360、Y3957、Y4156、Y4254、Y4453、Y4651 及Y4750的發射光譜； 圖5展示在峰值發射波長為45〇 nm之藍色LED激勵下的 關於Intematix Corporation之橙紅色矽酸鹽磷光體05446、 05544及05742的發射光譜； 圖6展示在峰值發射波長為46〇 nm之藍色LED激勵下的 一黃色YAG磷光體之發射光譜； 圖7展示在峰值發射波長為45〇 nm之藍色LED激勵下的 一紅色氮化矽磷光體之發射光譜；及 圖8展示在峰值發射波長為450 nm之藍色LED激勵下的 一紅色硫酸鹽磷光體之發射光譜。 【主要元件符號說明】 10 彩色影像感測器 12 光感測器陣列 123751.doc 1353668 12A 光感測器 12B 光感測器 12C 光感測器
14 14A 14B 14C
16A 16B 16C 彩色濾光片陣列（CFA) 彩色濾光片 彩色慮光片 彩色濾光片 微透鏡之一陣列 微透鏡 微透鏡 微透鏡 300
320 330 332 334 336 340 350 CFA 第一列 第二列 彩色影像感測器 基板 光感測器 彩色濾光片陣列 紅色丨慮光片元件 綠色濾光片元件 藍色濾光片元件 微透鏡之一陣列 磷光體材料 123751.doc -17-
Claims (1)
1353668 ' · 第096130351號專利申請案 ~—- 中文申請專利範圍替換本(100年6月）細年6月《日修正本 十、申請專利範圍： 1 · 一種半導體彩色影像感測器，其包含： 一半導體光感測器之陣列； 一彩色濾光片陣列’其包含紅色濾光片元件、綠色濾 光片元件及藍色濾、光片元件之一陣列，其中每一減光片 元件與該等光感測器之一各別光感測器相關聯；及 至少一磷光體材料，其與該等藍色濾光片元件之每一 者相關聯且經組態以吸收藍光並再發射一較長波長範圍 之光，該較長波長範圍之光隨後入射於與該藍色濾光片 元件相關聯之該光感測器上，其中該至少一磷光體經提 供為覆蓋於該彩色濾光片陣列之該等藍色濾光片元件之 一層0 2·如明求項丨之影像感測器，其中該磷光體材料經選擇使 得該較長波長範圍之光實質上匹配該光感測器之光譜回 應。
步包含用於將光聚 上的之一微透鏡陣 之一各別光感测器 3·如請求項1之影像感測器，且其進一 焦至該影像感測器之該等光感測器 列，其中每一微透鏡與該等光感測器 相關聯。 4. 5. 如請求们之影像感測器，且其進—步包含—介於該詰 色滤光片元件與該至少一碟光體材料之間的波長選擇 層：該波長選擇層對藍光實質上為透明的且對該較長波 長範圍之光實質上為反射性的。 如請求項1之影像感測器’其申該彩色據光片陣列包含 123751-1000608.doc 1353668 彩色濾光片元件之一拜耳圖案β 6. 如請求項1之影像感測器，其中該磷光體材料包含一選 自由以下各項組成之群的組合物：鋁酸鹽基的磷光體及 矽酸鹽基的磷光體。 7. 如請求項1之影像感測器，其中該至少一磷光體材料包 含一通式為（SrMl)2Si(〇D)4:Eu之綠黃色矽酸鹽基的磷光 體’其中Ml為Ba、Ca、Mg或Zn且D為F、a、S或N，且 該磷光體經組態以發射在520至575 nm之一波長範圍内 的光。 8 ·如請求項1之影像感測器，其中該至少一構光體材料包 含一通式為（SrMl)3Si(OD)5:Eu之撥紅色石夕酸鹽基的碟光 體’其中Ml為Ba、Ca、Mg或Zn且D為F、Cl、S或N，且 該磷光體經組態以發射在580至630 nm之一波長範圍内 的光。 9.如請求項丨之影像感測器，其中該至少一磷光體材料包 含一通式為（YMlhiAlM2)5。^之綠黃色鋁酸釔石榴石基 的磷光體，其中Ml為Tb、Gd、Sm或La且]VI2為Ga或In， 且該磷光體經組態以發射在540至580 nm之一波長範圍 内的光》 1 〇·如請求項1之影像感測器’其中該至少一填光體材料包 含一通式為（SrMl)Si5Ns之紅色氮化矽基的磷光體，其中 Ml為Sr、Ca、Mg或Zn，且該磷光體經組態以發射在59〇 至700 nm之一波長範圍内的光。 11.如請求項1之影像感測器’其中該至少一磷光體材料包 I23751-1000608.doc -2- 12.1353668
13. 14. 15.
16. 含一通式為（SrMl)S之紅色硫酸鹽基的磷光體，其中Ml 為Ca、Ba或Mg，且該磷光體經組態以發射在600至650 nm之一波長範圍内的光。 如請求項1之影像感測器，其中該至少一磷光體材料包 含一通式為（SrMl)(GaM2)2S4:Eu之綠色硫酸鹽基的磷光 體’其中Ml為Ca、Ba或Mg且M2為A1或In，且該磷光體 經組態以發射在520至550 nm之一波長範圍内的光。 如請求項1之影像感測器，其中該半導體光感測器之陣 列包含一互補金氧半導體（CMOS)裝置。 如請求項1之影像感測器，其中該半導體光感測器之該 陣列包含一電荷耦合裝置（CCD)。 如請求項1之影像感測器，且其進一步包含至少一填光 體材料’該至少一磷光體材料與該等綠色濾光片元件之 母一者相關聯且經組態以吸收綠光並再發射一較長波長 範圍之光’該較長波長範圍之光隨後入射於與該綠色滤 光片元件相關聯之該光感測器上。 如凊求項1之影像感測器，且其進一步包含至少一蛾光 體材料，該至少一磷光體材料與該等紅色濾光片元件之 每一者相關聯且經組態以吸收紅光並再發射一較長波長 範圍之光，該較長波長範圍之光隨後入射於與該紅色濾 光片元件相關聯之該光感測器上。 123751-l〇〇〇608.doc 1353*668 \ 第096130351號專利申請案 * |中文圖式替換頁(100年6月） 心年‘月8曰修(>)正替換頁
圖3 123751-fig-1000608.doc
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