光学指纹器件
阅读说明：本技术 光学指纹器件 (Optical fingerprint device ) 是由 杜柯 马小妹 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种光学指纹器件,通过至少一个有效的像素单元对应于一个微透镜,所述有效的像素单元的尺寸小于所述微透镜的尺寸,缩小单个有效像素单元的面积,减小暗电流效应,通过在有效像素单元周围设置溢出电荷结构,避免光电二极管在收集的电荷过多时,可能会发生向邻近的有效像素单元迁移的浮散过程,从而提高图像质量和指纹识别准确性,此外还增加了设计灵活性,改善了光学指纹器件的整体性能。(The invention provides an optical fingerprint device, wherein at least one effective pixel unit corresponds to a micro lens, the size of the effective pixel unit is smaller than that of the micro lens, the area of a single effective pixel unit is reduced, the dark current effect is reduced, and an overflowing charge structure is arranged around the effective pixel unit, so that the floating process that a photodiode is likely to migrate to an adjacent effective pixel unit when the charge collected by the photodiode is excessive is avoided, thereby improving the image quality and the fingerprint identification accuracy, increasing the design flexibility and improving the overall performance of the optical fingerprint device.)
技术领域
本发明涉及一种光学指纹器件。
背景技术
目前的指纹识别方案有光学技术，硅技术（电容式/射频式），超声波技术等。其中，光学指纹识别技术已被广泛应用于便携式电子装置中。
光学指纹识别技术采用光学取像设备根据的是光的全反射原理（FTIR）。光线照到压有指纹的透光层（例如有机、无机玻璃）外表，反射光线由图像传感器去取得，反射光的量依赖于压在玻璃外表的指纹脊和谷的深度，以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃射到谷的中央后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到图像传感器，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃接触面吸收或者漫反射到别的中央，这样就在图像传感器上构成了指纹的图像。
在光学指纹器件中，通常需要较大尺寸的微透镜以增加入射光的能量，以使具有更高能量的入射光进入图像传感器的像素单元并被转化为电信号，从而获得较高的指纹图像质量。
图1、图2示出现有技术的光学指纹器件的局部剖视示意图和局部俯视示意图，其中，每个像素单元110对应于一个微透镜120，基于现有的工艺条件，微透镜120的尺寸（通常指直径D1）一般在1μm-80μm；相应的，像素单元110的尺寸（通常指边长L1）与微透镜120的尺寸大体相当。
在图像传感器中，常常由于载流子的扩散产生或者器件表面和内部的缺陷以及有害的杂质引起暗电流（dark current），进而影响成像质量。像素单元中的暗电流与像素单元的面积成正比，因此，较大的像素单元面积导致较大的暗电流。虽然图像传感器有暗电流校正模块，但是暗电流会受工艺的波动导致芯片间一致性变差；另外暗电流会随温度的增加而增大，加大了芯片在不同环境下表现的一致性。因此，在实际应用中，通常希望能够尽量消除或者减小暗电流的存在。
此外，当单个像素单元的感光二极管接收强入射光，收集的电荷过多时，会发生向邻近像素单元的感光二极管迁移的浮散（blooming）过程，影响相邻像素单元的图像采集及处理，影响成像质量，进而影响指纹识别准确性。
再者，由于像素单元与微透镜一一对应且尺寸相当，图像传感器芯片中可用于电路或其他结构的面积比较有限，因而限制了整个光学系统设计的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学指纹器件，减小暗电流和浮散效应，提高图像质量和指纹识别准确性，增加设计灵活性，改善光学指纹器件的整体性能。
基于以上考虑，本发明提供一种光学指纹器件，包括相对设置的若干微透镜和像素单元；至少一个有效的像素单元对应于一个微透镜，所述有效的像素单元的尺寸小于所述微透镜的尺寸。
优选的，所述有效的像素单元周围设置有溢出电荷结构。
优选的，所述溢出电荷结构是无效的像素单元。
优选的，所述溢出电荷结构是溢出电荷漏极。
优选的，所述溢出电荷漏极包括位于光电二极管的隔离区域外侧的N型掺杂区域以及位于所述N型掺杂区域上方靠近半导体衬底表面的N型重掺杂区域，所述N型重掺杂区域加电压。
优选的，每个微透镜对应呈N*N阵列排布的多个像素单元，N是大于等于2的自然数。
优选的，每个像素单元的尺寸小于8μm。
优选的，所述的光学指纹器件还包括位于所述微透镜和像素单元之间的挡光层、透光层、红外截止滤光膜中的至少一个。
本发明的光学指纹器件，通过至少一个有效的像素单元对应于一个微透镜，所述有效的像素单元的尺寸小于所述微透镜的尺寸，缩小单个有效像素单元的面积，减小暗电流效应，通过在有效像素单元周围设置溢出电荷结构，避免光电二极管在收集的电荷过多时，可能会发生向邻近的有效像素单元迁移的浮散过程，从而提高图像质量和指纹识别准确性，此外还增加了设计灵活性，改善了光学指纹器件的整体性能。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为现有技术的光学指纹器件的局部剖视示意图；
图2为现有技术的光学指纹器件的局部俯视示意图；
图3为本发明实施例一的光学指纹器件的局部剖视示意图；
图4为本发明实施例一的光学指纹器件的局部俯视示意图；
图5为本发明实施例二的光学指纹器件的局部剖视示意图；
图6为本发明实施例二的光学指纹器件的局部俯视示意图；
图7为本发明实施例二的光学指纹器件的溢出电荷漏极的剖视示意图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
本发明提供一种光学指纹器件，通过至少一个有效的像素单元对应于一个微透镜，所述有效的像素单元的尺寸小于所述微透镜的尺寸，缩小单个有效像素单元的面积，减小暗电流效应，通过在有效像素单元周围设置溢出电荷结构，避免光电二极管在收集的电荷过多时，可能会发生向邻近的有效像素单元迁移的浮散过程，从而提高图像质量和指纹识别准确性，此外还增加了设计灵活性，改善了光学指纹器件的整体性能。
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例一
图3、图4示出本发明实施例一的光学指纹器件的局部剖视示意图和局部俯视示意图。在该实施例的光学指纹器件中，一个微透镜220对应呈3*3阵列排布的9个像素单元，其中至少一个像素单元为有效像素单元，作为示例，在此示出为中间的像素单元210为有效像素单元，周围的像素单元230为无效像素单元，因此，有效的像素单元210的尺寸小于微透镜220的尺寸，即有效的像素单元210的边长L2小于微透镜220的直径D2，相比于现有技术中与微透镜尺寸相当的像素单元，本发明缩小了单个有效像素单元的面积，减小了暗电流效应。
本领域技术人员可以理解，为实现缩小有效像素单元面积，减小暗电流的目的，可以设置至少一个有效像素单元对应于一个微透镜，只需满足有效像素单元的尺寸小于微透镜的尺寸，即可用于实现本发明的目的。有效像素单元周围区域的尺寸、数量可以灵活设置，也可以用于设置其他电路结构，增加了设计灵活性。
优选的，每个微透镜对应呈N*N阵列排布的多个像素单元，N是大于等于2的自然数。进一步优选的，其中每个像素单元的尺寸小于8μm，从而满足多数应用环境下对于暗电流的抑制需求。
此外，设置于有效像素单元210周围的无效像素单元230，可以作为溢出电荷结构，即当有效像素单元210的光电二极管收集的电荷过多而溢出时，由于无效像素单元230的存在，避免了有效像素单元210中溢出的电荷进入临近的有效像素单元，影响其他有效像素单元的图像采集及处理，从而减小浮散效应，提高图像质量和指纹识别准确性。
优选的，还可以在微透镜220和像素单元210、230之间设置挡光层用于解决入射光进入图像传感器的相邻像素单元从而造成信号串扰的问题，设置挡光层透光层便于光线顺利入射，设置红外截止滤光膜用于减少入射光中的红外光进入图像传感器造成噪声串扰和图像失真，提高光学指纹器件的光学性能。因此，本发明的光学指纹器件还包括位于所述微透镜和像素单元之间的挡光层、透光层、红外截止滤光膜中的至少一个。
实施例二
图5、图6示出本发明实施例二的光学指纹器件的局部剖视示意图和局部俯视示意图。在该实施例的光学指纹器件中，一个微透镜320对应一个有效像素单元310，并且该有效的像素单元310的尺寸小于微透镜320的尺寸，即有效的像素单元310的边长L3小于微透镜320的直径D3，相比于现有技术中与微透镜尺寸相当的像素单元，本发明缩小了单个有效像素单元的面积，减小了暗电流效应。
与实施例一不同的是，实施例二的光学指纹器件不是通过无效像素单元作为溢出电荷结构，而是在有效像素单元310周围区域330中另外设置溢出电荷漏极作为溢出电荷结构，具体结构如图7所示，溢出电荷漏极334包括位于光电二极管311的隔离区域331外侧的N型掺杂区域332以及位于所述N型掺杂区域332上方靠近半导体衬底表面的N型重掺杂区域333，所述N型重掺杂区域333加电压VDD，用于抽取光电二极管311中的多余电荷，避免了有效像素单元310中溢出的电荷进入临近的有效像素单元，影响其他有效像素单元的图像采集及处理，从而减小浮散效应，提高图像质量和指纹识别准确性。
优选的，所述的光学指纹器件还包括位于所述微透镜和像素单元之间的挡光层、透光层、红外截止滤光膜中的至少一个。
综上所示，本发明的光学指纹器件，通过至少一个有效的像素单元对应于一个微透镜，所述有效的像素单元的尺寸小于所述微透镜的尺寸，缩小单个有效像素单元的面积，减小暗电流效应，通过在有效像素单元周围设置溢出电荷结构，避免光电二极管在收集的电荷过多时，可能会发生向邻近的有效像素单元迁移的浮散过程，从而提高图像质量和指纹识别准确性，此外还增加了设计灵活性，改善了光学指纹器件的整体性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
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