本发明涉及彩色图像成像的技术领域，具体涉及彩色cmos图像传感器像素阵列、传感器以及制备工艺。
背景技术：
随着摄影摄像技术的发展，对于彩色图像的输入输出也提出了很大的挑战，彩色图像传感器的研究变得尤为重要。互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，简称cmos)图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与电荷耦合器件(charge-coupleddevice，简称ccd)有着共同的历史渊源，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、模数转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成。传统的彩色cmos图像传感器为了获取彩色图像，通常依靠拜尔阵列(bayerarray)滤光片来实现，同时为了在弱光条件下获得高灵敏度成像，在拜尔阵列基础上引入了白光像素(wpixels)。通过这种结构，可以在获得rgb(红绿蓝)彩色成像的同时，通过w像素来增强弱光下的成像清晰度。
目前传统彩色cmos图像传感存在如下缺点：(1)引入的w像素占用了原有rgb像素的位置，降低了色彩呈现度，有效空间分辨率降低；(2)彩色滤光片结构本身滤掉了相当一部分光子，对于弱光条件下的成像是不利的。
针对现有技术中引入的w像素占用了原有rgb像素的位置，降低了色彩呈现度和有效空间分辨率，以及滤光片结构本身滤掉了相当一部分光子，不利于弱光条件下的成像的问题，还未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种彩色cmos图像传感器像素阵列、传感器以及制备工艺，以解决现有技术中引入的w像素占用了原有rgb像素的位置，降低了色彩呈现度和有效空间分辨率，以及滤光片结构本身滤掉了相当一部分光子，不利于弱光条件下的成像的问题。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面，提供了一种彩色cmos图像传感器像素阵列，包括：a像素、b像素和c像素；
所述a像素的表面具有第一滤光层；
所述b像素的表面具有第二滤光层；
所述c像素的表面具有第三滤光层；
其中，所述第一滤光层、所述第二滤光层和所述第三滤光层具有不同的n 掺杂浓度和/或深度；
由所述a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
所述a像素用于uv光电子的收集过滤；
所述b像素用于uv光电子和blue光电子的收集过滤；
所述c像素用于uv光电子、blue光电子以及green光电子的收集过滤。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
所述a像素、b像素和c像素中至少之一包括第一传输门和第一浮空扩散节点；其中，所述第一传输门和所述第一浮空扩散节点用于输出收集过滤的光电子；所述收集过滤的光电子作为灵敏度增强信号。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
所述a像素、b像素和c像素均包括第二传输门和第二浮空扩散节点，其中，所述第二传输门和所述第二浮空扩散节点用于输出像素信号；
所述第一传输门的光电子传导方向与所述第二传输门的光电子传导方向垂直。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
在p型衬底上设置有n型掩埋层；
所述n型掩埋层上有p 层；
所述p 层上设置有n 层，并且n 层作为滤光层；
所述a像素、b像素和c像素的边缘设置有所述第一传输门和所述第二传输门；
所述第一浮空扩散节点和所述第二浮空扩散节点通过n 型掺杂得到；
所述第二传输门与所述n型掩埋层和所述第二浮空扩散节点连接；
所述第一传输门与所述滤光层和所述第一浮空扩散节点连接。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
所述p 层位于所述n型掩埋层上面，并且所述n型掩埋层靠近所述第二传输门的一侧延伸至表面，同时所述n 层位于所述表面p 层上面，并且所述p 层靠近所述第二传输门的一侧延伸至表面。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
所述彩色cmos图像传感器的像素阵列单元为2*2的拜尔阵列，包含1个a像素、1个b1像素、1个b2像素以及1个c像素；
所述a像素和所述b1像素通过差分光谱响应的方式呈现蓝光；
所述b1像素和所述c像素通过差分光谱响应的方式呈现第一绿光；
所述b2像素和所述c像素通过差分光谱响应的方式呈现第二绿光；
所述c像素呈现红光。
可选地，所述彩色cmos图像传感器像素阵列还包括：
所述a像素的表面光电子势阱深度在20nm至50nm之间；
所述b像素的表面光电子势阱深度在400nm至500nm之间；
所述c像素的表面光电子势阱深度在1000nm至3000nm之间。
本发明第二方面，提供了一种彩色cmos图像传感器，包括第一方面中任一所述的彩色cmos图像传感器像素阵列。
本发明第三方面，提供了一种彩色cmos图像传感器像素阵列制备工艺，像素阵列还包括：a像素、b像素和c像素；
在所述a像素的表面进行n 掺杂形成第一滤光层；
在所述b像素的表面进行n 掺杂形成第二滤光层；
在所述c像素的表面进行n 掺杂形成第三滤光层；
其中，所述第一滤光层、所述第二滤光层和所述第三滤光层的n 掺杂浓度和/或深度不同；
由所述a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供了一种彩色cmos图像传感器像素阵列、传感器以及制备工艺，其中，该彩色cmos图像传感器像素阵列包括：a像素、b像素和c像素；所述a像素的表面具有第一滤光层；所述b像素的表面具有第二滤光层；所述c像素的表面具有第三滤光层；其中，所述第一滤光层、所述第二滤光层和所述第三滤光层具有不同的n 掺杂浓度和/或深度；由所述a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。解决了现有技术中引入的w像素占用了原有rgb像素的位置，降低了色彩呈现度和有效空间分辨率，以及滤光片结构本身滤掉了相当一部分光子，不利于弱光条件下的成像的问题。通过设计彩色cmos图像传感器像素阵列减少滤光片的制备工艺，并且通过表面n 掺杂的方式结合差分光谱响应的原理，来进行后期色彩还原，同时将由n 层过滤收集的光电子进行收集，用于弱光条件下该像素单元灵敏度的增强信号，提升了光子利用效率，省去了传统结构中w像素的位置，提升像素的有效分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的彩色cmos图像传感器像素阵列的示意图；
图2是根据本发明实施例的像素光谱响应曲线图；
图3a是根据本发明实施例的彩色cmos图像传感器像素结构的俯视图；
图3b是根据本发明实施例的彩色cmos图像传感器像素结构xx’方向上的视图；
图3c是根据本发明实施例的彩色cmos图像传感器像素结构yy’方向上的视图；
图4是根据本发明实施例的不同离硅表面的深度电子的势能曲线图；
图5是根据本发明实施例拜耳阵列示意图；
图6是根据本发明实施例的不同波长光在硅中的吸收深度曲线图；
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，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
根据本发明实施例，提供了一种彩色cmos图像传感器像素阵列、传感器以及制备工艺实施例，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本实施例中提供了一种彩色cmos图像传感器像素阵列，可用于摄影摄像设备，图1是根据本发明实施例的彩色cmos图像传感器像素阵列的示意图，如图1所示，该像素阵列包含三种像素，包括：a像素、b像素和c像素。
a像素的表面具有第一滤光层。具体地，由于大约90％以上的紫外光(波长范围：小于390nm)在第一滤光层中被吸收完全，因此第一滤光层起到了了截止滤光片的作用，可以对紫外光电子及波长小于紫外光的光电子，进行过滤及收集，因此采用a像素的像素结构可以起到滤光片的作用，这就是本发明中不需要滤光片的原因。
b像素的表面具有第二滤光层。具体地，由于大约90％以上的蓝光(波长范围：435～455nm)在第二滤光层中被吸收完全，因此第二滤光层起到了截止滤光片的作用，可以对蓝光光电子及波长小于蓝光的光电子，进行过滤及收集，因此采用b像素的像素结构可以起到滤光片的作用，这就是本发明中不需要滤光片的原因。
c像素的表面具有第三滤光层。具体地，由于大约90％以上的绿光(波长范围：492～577nm)在第三滤光层中被吸收完全，因此第三滤光层起到了截止滤光片的作用，可以对绿光光电子及波长小于绿光的光电子，进行过滤及收集，因此采用c像素的像素结构可以起到滤光片的作用，这就是本发明中不需要滤光片的原因。
其中，第一滤光层、第二滤光层和第三滤光层具有不同的n 掺杂浓度和/或深度。由于第一滤光层、第二滤光层和第三滤光层的n 掺杂浓度和/或深度不同，所以使得a像素、b像素和c像素对不同波段的光的过滤收集能力有所不同，因此a像素、b像素和c像素输出的像素信号可以通过简单的差分进行色彩还原。
由所述a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。具体地，图2展示了素光谱响应曲线。通过图2可知，a像素将紫外光电子都过滤掉了，对紫外波段(小于390nm)的量子效率几乎为零。b1和b2像素将蓝光光电子及以下的都过滤掉了，因此对小于450nm的光波量子效率几乎为零。c像素将绿光光电子及以下的都过滤掉了，因此对小于577nm的光波量子效率几乎为零。因此根据差分光谱响应，也就是，b1或b2像素扣除a像素的信号结果，就可以反映对蓝光的检测；c像素扣除b1或b2像素的信号的结果，就可以反映绿光的结果；像素c由于扣除了绿光及以下的光，因此本身可以反映红光的结果。
现有的彩色cmos图像传感器都是利用滤光片来实现色彩还原，但是由于滤光片的应用导致彩色cmos图像传感器的灵敏度降低，因此传统技术中引入白光像素，提高灵敏度。通过上述彩色cmos图像传感器像素阵列，本发明实施例实现色彩还原，区别于现有技术中滤光片的应用，本发明实施例中彩色cmos图像传感器像素阵列由于其特殊的结构，可以实现在无滤光片时进行色彩还原。这就解决了现有技术中引入的w像素占用了原有rgb像素的位置，降低了色彩呈现度和有效空间分辨率的问题。通过设计彩色cmos图像传感器像素阵列减少滤光片的制备工艺，并且通过表面n 掺杂的方式结合差分光谱响应来进行色彩还原，同时由于本发明实施例中不需要使用滤光片，省去了传统结构中w像素的位置，提升像素的有效分辨率。
在一个可选实施例中，a像素用于紫外光(ultraviolet，简称uv)光电子的收集过滤。b像素用于uv光电子和blue光电子的收集过滤。该c像素用于uv光电子、blue光电子以及green光电子的收集过滤。通过各个像素对不同波段的光过滤收集，使得各个像素中n型掩埋层与衬底构成的光电二级管可以输出便于色彩还原的像素信号。
为了说明灵敏度增强信号，在一个可选实施例中，a像素、b像素和c像素中至少之一包括第一传输门和第一浮空扩散节点。其中，该第一传输门和该第一浮空扩散节点用于输出收集过滤的光电子；该收集过滤的光电子作为灵敏度增强信号。具体地，当第一滤光层、第二滤光层以及第三滤光层中至少之一将输入光过滤后，通过第一传输门和第一浮空扩散节点将过滤后的光电子存储起来，这些光电子在暗光时可以用于提高彩色cmos图像传感器的灵敏度，对输入光进行了充分的利用，节约了资源。
为了进一步说明灵敏度增强信号，在一个可选实施例中，各个像素的第一浮空扩散节点输出的过滤收集的光电子进行汇总输出形成灵敏度增强信号。另外，当多个像素中只有一部分像素中可以输出过滤收集的光电子时，可以将这一部分像素中的第一浮空扩散节点连接在一起，将过滤收集的光电子进行汇总输出，形成灵敏度增强信号。本领域技术人员应当知晓，本实施例的像素阵列中具有第一浮空扩散节点像素数量并未用于限定本实施例，根据实际需求采用其他具有第一浮空扩散节点像素数量像素阵列亦在本实施例的保护范围内。
为了说明像素信号的输出，在一个可选实施例中，a像素、b像素和c像素均包括第二传输门和第二浮空扩散节点，其中，该第二传输门和第二浮空扩散节点用于输出像素信号。该第一传输门的光电子传导方向与该第二传输门的光电子传导方向垂直。具体地，当第一滤光层、第二滤光层以及第三滤光层将输入光过滤，过滤后的光信号输入至各个像素中n型掩埋层与衬底构成的光电二级管中，光电二极管在光的作用下输出像素信号，并且通过第二传输门和该第二浮空扩散节点将像素信号输出，进行色彩还原。通过设置第一传输门的光与第二传输门方向垂直使得像素信号与灵敏度增强信号能够正常输出，不会产生干扰。
在一个可选实施例中，彩色cmos图像传感器像素结构如图3a，3b和3c所示，在p型衬底上设置有n型掩埋层。该n型掩埋层上有p 层。该p 层上设置有n 层，并且该n 层作为滤光层。a像素、b像素和c像素的边缘设置有第一传输门和第二传输门。该第一浮空扩散节点和该第二浮空扩散节点通过n 型掺杂得到。第二传输门与该n型掩埋层和第二浮空扩散节点连接。第一传输门与滤光层和该第一浮空扩散节点连接。通过设计制备一种新的彩色cmos图像传感器像素，使得彩色cmos图像传感器能够在没有滤光片的情况下进行色彩还原，并且在不引入白光像素的同时增强彩色cmos图像传感器的灵敏度，减少了滤光片的制备，减小了制备难度。
在一个可选实施例中，该p 层位于该n型掩埋层上面，并且该n型掩埋层靠近该第二传输门的一侧延伸至表面，同时该n 层位于该p 层上面，并且该p 层靠近该第二传输门的一侧延伸至表面。通过将n型掩埋层靠近该第二传输门的一侧延伸至表面，使得第二传输门可以与n型掩埋层相连，使得像素信号能够通过传输门输出。通过将p 层靠近该第二传输门的一侧延伸至表面，使得n 层与n型掩埋层能够完全隔离。
为了更进一步说明n 层与p 层的作用，在本发明实施例中提供了电子的势能随离硅表面的深度变化而变化的曲线，如图4所示。图4中的曲线有两个谷，其从左到右，分别对应的是n 层和n型掩埋层的两个电子势阱。两个谷之间的峰，代表p 层形成的电子势垒，将n 层和n型掩埋层分隔开。n 层与p 层形成pn结，最终形成的平衡势垒时所输出的曲线就是图4中的曲线，因而光电子在内建场作用下，流向势阱进行收集。由于掺杂浓度等条件，可以决定形成的pn结能带的陡峭程度及宽度等特征，因此通过控制掺杂条件控制n 层可以过滤收集的光电子的类型。
为了说明在一个可选实施例中的像素阵列单元，该彩色cmos图像传感器的像素阵列单元为2*2的拜尔阵列，包含1个a像素、b1像素、b2像素以及1个c像素。a像素和b1像素通过差分光谱响应的方式呈现蓝光。b1像素和c像素通过差分光谱响应的方式呈现第一绿光。b2像素和c像素通过差分光谱响应的方式呈现第二绿光。c像素呈现红光。具体地，在本发明实施例中，彩色cmos图像传感器的像素阵列单元为2*2的拜尔阵列，如图5所示，这种拜耳阵列的分布方式更加有利于色彩还原，使得红绿蓝三原色能够通过像素信号差分出来。本领域技术人员应当知晓，本实施例中的拜尔阵列并未用于限定本实施例，根据实际需求采用其他像素阵列亦在本实施例的保护范围内。
在一个可选实施例中，a像素的表面光电子势阱深度在20nm至50nm之间。b像素的表面光电子势阱深度在400nm至500nm之间。c像素的表面光电子势阱深度在1000nm至3000nm之间。每个像素表面由n 层和p 层形成pn结，n 层扮演电子势阱，p 层扮演电子势垒。通过控制n 层和p 的掺杂情况，使得每一个像素的表面光电子势阱深度可控。由于不同颜色光的波长不同，并且不同颜色光在不同表面光电子势阱深度时，n 层对光的吸收程度是不同的，如图6所示。因此，能够简单的制备出可以将特定光过滤的结构，为彩色cmos图像传感器的设计提供了帮助。
本实施例提供一种彩色cmos图像传感器，包括上述实施例中任一该的彩色cmos图像传感器像素阵列，已经进行过说明的彩色cmos图像传感器像素阵列不再赘述。
本实施例提供一种彩色cmos图像传感器像素阵列制备工艺，其像素阵列还包括：a像素、b像素和c像素；
在所述a像素的表面进行n 掺杂形成第一滤光层；
在所述b像素的表面进行n 掺杂形成第二滤光层；
在所述c像素的表面进行n 掺杂形成第三滤光层；
其中，该第一滤光层、该第二滤光层和该第三滤光层的n 掺杂浓度和/或深度不同；
由该a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。
上述各个工艺的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
1.一种彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，包括：a像素、b像素和c像素；
所述a像素的表面具有第一滤光层；
所述b像素的表面具有第二滤光层；
所述c像素的表面具有第三滤光层；
其中，所述第一滤光层、所述第二滤光层和所述第三滤光层具有不同的n 掺杂浓度和/或深度；
由所述a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。
2.根据权利要求1所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，
所述a像素用于uv光电子的收集过滤；
所述b像素用于uv光电子和blue光电子的收集过滤；
所述c像素用于uv光电子、blue光电子以及green光电子的收集过滤。
3.根据权利要求1所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，
所述a像素、b像素和c像素中至少之一包括第一传输门和第一浮空扩散节点；其中，所述第一传输门和所述第一浮空扩散节点用于输出收集过滤的光电子；所述收集过滤的光电子作为灵敏度增强信号。
4.根据权利要求3所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，
所述a像素、b像素和c像素均包括第二传输门和第二浮空扩散节点，其中，所述第二传输门和所述第二浮空扩散节点用于输出像素信号；
所述第一传输门的光电子传导方向与所述第二传输门的光电子传导方向垂直。
5.根据权利要求4所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，像素结构包括：
在p型衬底上设置有n型掩埋层；
所述n型掩埋层上有p 层；
所述p 层上设置有n 层，并且所述n 层作为滤光层；
所述a像素、b像素和c像素的边缘设置有所述第一传输门和所述第二传输门；
所述第一浮空扩散节点和所述第二浮空扩散节点通过n 型掺杂得到；
所述第二传输门与所述n型掩埋层和所述第二浮空扩散节点连接；
所述第一传输门与所述滤光层和所述第一浮空扩散节点连接。
6.根据权利要求5所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，
所述p 层位于所述n型掩埋层上面，并且所述n型掩埋层靠近所述第二传输门的一侧延伸至表面，同时所述n 层位于所述表面p 层上面，并且所述p 层靠近所述第二传输门的一侧延伸至表面。
7.根据权利要求1所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，
所述彩色cmos图像传感器的像素阵列单元为2*2的拜尔阵列，包含1个a像素、1个b1像素、1个b2像素以及1个c像素；
所述a像素和所述b1像素通过差分光谱响应的方式呈现蓝光；
所述b1像素和所述c像素通过差分光谱响应的方式呈现第一绿光；
所述b2像素和所述c像素通过差分光谱响应的方式呈现第二绿光；
所述c像素呈现红光。
8.根据权利要求1所述的彩色cmos图像传感器像素阵列，其特征在于，包括：
所述a像素的表面光电子势阱深度在20nm至50nm之间；
所述b像素的表面光电子势阱深度在400nm至500nm之间；
所述c像素的表面光电子势阱深度在1000nm至3000nm之间。
9.一种彩色cmos图像传感器，其特征在于，包括权利要求1-8中任一所述的彩色cmos图像传感器像素阵列。
10.一种彩色cmos图像传感器像素阵列制备工艺，其特征在于，像素阵列包括a像素、b像素和c像素；
在所述a像素的表面进行n 掺杂形成第一滤光层；
在所述b像素的表面进行n 掺杂形成第二滤光层；
在所述c像素的表面进行n 掺杂形成第三滤光层；
其中，所述第一滤光层、所述第二滤光层和所述第三滤光层的n 掺杂浓度和/或深度不同；
由所述a像素、b像素和c像素通过差分光谱响应的方式实现色彩还原。
技术总结