[发明专利]感光像素阵列、环境光传感器和距离传感器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种发明名称感光像素阵列、环境光传感器和距离传感器。

背景技术

现如今，越来越多的环境光传感器和距离传感器应用于手机和平板电脑中。环境光传感器和距离传感器对感光元件的主要要求是在较弱的光强和较强的光强时都有较好的线性响应。现有环境光传感器和距离传感器主要应用的感光元件是由面积较大(0.5mm×0.5mm以上)的光电二极管(photodiode，PD)形成的感光阵列。然而使用这种光电二极管的缺点是，所述光电二极管的面积必须较大，同时这种光电二极近的噪声较大，在光强较弱的时候，其有效信号很小，几乎等于系统中的底部噪声。

为了提高环境光传感器和距离传感器的性能，需要寻找一种新的感光元件，以提高环境光传感器和距离传感器的感光性能。

然而，现有感光像素阵列由于存在动态范围受其光电二极管满阱(fullwell)限制的不足，很难运用在环境光传感器和距离传感器。

感光像素阵列中，CMOS像素阵列可以实现灵敏的光响应，在光强较弱的时候仍可以产生较强的光电信号(此光电信号远大于系统中的噪声)。现有CMOS像素阵列通常用于CMOS图像传感器中，而CMOS图像传感器通常由像素阵列和外围电路组成。CMOS图像传感器的像素分为无源像素和有源像素两种。有源像素(ActivePixel)相较无源像素而言具有诸多优点(如光响应灵敏度高、噪音小、速度快和功耗小等等)，成为目前主要研究和应用的产品。通常所述的CMOS图像传感器指有源像素CMOS图像传感器。现有有源像素CMOS图像传感器根据晶体管的数目的不同，可分为3晶体管、4晶体管5晶体管等类型。其工作原理是：像素单元中的光电二极管在感受到光信号的时候会将光子转换成等比数量的电荷(电子或者空穴)，电荷在光电二极管中积累，光强越高，则积累的电荷越多。积累的电荷会在浮置扩散区(FloatingDiffusion，FD)上产生Q/Cpara大小的电压变化，其中Q为对应光强积累的电荷，Cpara为FD上的寄生电容。此电压变化通过晶体管传导出去，通过模拟数字转换器进行量化，即可以得到数字化得光强信息。

请参考图1，示出了现有CMOS像素阵列中光电二极管(亦即像素单元)的光响应电压曲线示意图。

光电二极管通常处在一定的反偏电压下，如果光强太强，超出光电二极管的满阱电荷，光电二极管的响应电压位于饱和区的线段BC，部分光子无法被采集，信号采集失败；如果入射光太弱，产生的光电子少于噪声电子，光响应电压处于线性区线段AB下方，光电二极管未能做出响应，信号采集失败；只有光强落在线性区的线段AB对应的范围内，光电二极管才能采集到有效的信号，此时光电二极管的响应电压处于线性区的线段AB。可见，现有CMOS像素阵列的动态范围太小。

现有技术中解决CMOS像素阵列动态范围太小的方法，通常是根据所应用的入射光的强度来分别计算设计光电二极管的面积，在光强范围较大的时候，需要按照最弱的光强来设置感光面积，因为感光面的面积越大，则能够感受更低强度的光强，并且一种应用需要使用一种面积，同时需要使用一套固定的光照，各应用之间不能兼容。

为此，需要一种新的感光像素阵列，以扩大感光像素阵列的动态范围，从而使感光像素阵列能够更好地运用于环境光传感器和距离传感器中，提高环境光传感器和距离传感器的性能。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种感光像素阵列、环境光传感器和距离传感器，所述感光像素阵列的动态范围扩大，因此，可以更好地运用于环境光传感器和距离传感器中，并使环境光传感器和距离传感器的性能提高。

为解决上述问题，本发明提供一种感光像素阵列，包括：

N个像素单元，所述N个像素单元的原始感光面面积相同，其中，N为大于或者等于二的自然数；

所述N个像素单元中，第n个像素单元的表露感光面面积等于其原始感光面面积的k^(n-1)倍，其中，k为0.1～0.9，n为一至N的任意自然数。

可选的，k为0.5，N等于四。

可选的，所述四个像素单元成两行两列的矩阵排布。

可选的，所述四个像素单元中，第二个像素单元的原始感光面上方具有第一阻挡层，所述第一阻挡层暴露出所述第二个像素单元的表露感光面；第三个像素单元的原始感光面上方具有第二阻挡层，所述第二阻挡层暴露出所述第三个像素单元的表露感光面；第四个像素单元的原始感光面上方具有第三阻挡层，所述第三阻挡层暴露出所述第四个像素单元的表露感光面。