CN101821850B - 4t-4s步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器 - Google Patents

4t-4s步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN101821850B
CN101821850B CN200880111237XA CN200880111237A CN101821850B CN 101821850 B CN101821850 B CN 101821850B CN 200880111237X A CN200880111237X A CN 200880111237XA CN 200880111237 A CN200880111237 A CN 200880111237A CN 101821850 B CN101821850 B CN 101821850B
Authority
CN
China
Prior art keywords
diffusion region
region pattern
photodiode
photodiode diffusion
pixel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN200880111237XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN101821850A (zh
Inventor
李道永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SK Hynix Inc
Original Assignee
Siliconfile Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siliconfile Technologies Inc filed Critical Siliconfile Technologies Inc
Publication of CN101821850A publication Critical patent/CN101821850A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101821850B publication Critical patent/CN101821850B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14641—Electronic components shared by two or more pixel-elements, e.g. one amplifier shared by two pixel elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

公开的是在图像传感器中使用的4T-4S步进和重复单位像素和具有该单位像素的图像传感器。4T-4S步进和重复单位像素具有用于光电二极管的四个扩散区图案和用于图像信号转换电路的三个扩散区图案。通过使用彼此在对角线的方向上布置的四个光电二极管和靠近光电二极管的边缘在光电二极管之间布置的三个扩散区图案，图像传感器的开口率增加到最大。

Description

4T-4S步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器的单位像素，更具体地，涉及通过将四个单位像素合并成单个单位像素得到的4T-4S步进和重复单位像素和具有该单位像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器是通过将多个单位像素布置在二维的阵列结构中得到的。在图像传感器的设计阶段在水平和竖直方向上重复地布置单位像素的过程称作步进和重复过程。在这个过程中，水平单位线是通过在水平方向上重复地布置单个类型的单位像素形成的，而竖直单位线是通过在竖直方向上重复地布置单位像素而从水平单位线的每个单位像素延伸的，从而实现单个图像传感器。
可以如下定义将在本发明中提到的4T单位像素、4T-2S单位像素和4T-4S单位像素。
4T单位像素包括单个光电二极管和图像信号转换电路，该图像信号转换电路具有用于处理从光电二极管检测到的图像信号的四个晶体管(即，4T)。
4T-2S单位像素是通过共享用于图像信号转换电路的晶体管(即，2S)通过将两个4T单位像素合并进单个单位像素得到的图像传感器单元。
4T-4S单位像素是通过共享用于图像信号转换电路的晶体管(即，4S)通过将四个4T单位像素合并进单个单位像素得到的图像传感器单元。
图1示出生成传统的4T-2S步进和重复单位像素的过程。
参见图1，在右侧示出的4T-2S步进和重复单位像素100是通过合并在左侧示出的两个4T单位像素10和20得到的。第一单位像素10包括单个光电二极管PD1和图像信号转换电路，该图像信号转换电路具有用于将从光电二极管PD1产生的图像信号转换成电信号的四个晶体管M11、M12、M13和M14。第二单位像素20具有与第一单位像素10类似的结构，但是它们的组件由不同的符号表示，以便将它们彼此区分。
在4T-2S步进和重复单位像素100中，复位晶体管M12或M22、转换晶体管M13或M23、选择晶体管M14或M24在两个4T单位像素10和20之间共享，两个4T单位像素10和20中的每个均具有四个晶体管。因此，如果两个4T单位像素共享复位晶体管、转换晶体管和选择晶体管，那么需要的复位晶体管、转换晶体管和选择晶体管的数量可以降低到三个，而如果两个4T单位像素是如在图1中所示分开布置的，那么需要六个晶体管。使用共同共享的两个传输晶体管M11和M21和三个晶体管MC2、MC3和MC4，4T-2S步进和重复单位像素100输出对应于在两个光电二极管PD1和PD2中产生的图像信号的转换电压。
在启用施加给传输晶体管M11和M21的栅极的传输控制信号Tx1或Tx2的任何一个之前，在预定时间点启用施加给复位晶体管MC2的栅极的复位信号Rx12。为此原因命名了在“Rx12”中的标号“12”。类似地，为了相同的原因命名了施加给选择晶体管MC4的栅极的选择信号Sx12的标号“12”。
如上所述，因为单个共同的图像信号转换电路是由两个单位像素共享的，所以使用在4T-2S步进和重复单位像素100中的两个光电二极管和五个晶体管M11、M21、MC2、MC3和MC4，将施加给两个单位像素的图像信号转换成电信号。因此，每个像素需要的晶体管的数量变成2.5。
当四个4T单位像素共同地共享单个图像信号转换电路时，每个像素需要的晶体管的数量降低到1.75。如果其它条件是相同的，与仅两个4T单位像素共同共享单个图像信号转换电路的上面情况比较，可以由光电二极管占用的面积增加。这将提高图像传感器的开口率。
图2是传统的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。
参见图2，4T-4S步进和重复单位像素200包括：四个光电二极管PD0到PD3，用于产生对应于入射图像信号的图像电荷；四个传输晶体管M21到M24，用于转换从四个光电二极管产生的图像电荷；和共同的图像信号转换电路，具有用于将所检测的图像电荷转换成对应的电信号的三个晶体管M25、M26和M27。传输控制信号Tx01、Tx11、Tx00和Tx10分别施加到传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极。
考虑在图像传感器中的一般的光电二极管阵列，4T-4S步进和重复单位像素200是通过将两个用来从图像信号中检测绿色组分的光电二极管合并成单个单元得到的，一个光电二极管用来检测蓝色组分，而一个光电二极管用来检测红色组分。参见图2，用来检测绿色组分的两个光电二极管PD0和PD3是对角地布置的。用来检测蓝色组分的光电二极管PD1和用来检测红色组分的光电二极管PD2也是对角地布置的。
当实际实现4T-4S步进和重复单位像素200时，光电二极管布置在与在图2的电路图中示出的位置相同的位置上。因此，4T-4S步进和重复单位像素200具有通过合并四个最邻近的光电二极管得到的方形结构。
图3是另一种传统的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。
参见图3，4T-4S步进和重复单位像素300包括：四个光电二极管PD0和PD3，用于接收图像信号；四个传输晶体管M21、M22、M23和M24，用于转换从光电二极管PD0到PD3产生的图像信号；和共同的图像信号转换电路M25、M26、M27，用于将所检测的图像电荷转换成对应的电信号。传输控制信号Tx00、Tx10、Tx20和Tx30分别施加给传输晶体管M21、M22、M23和M24。
当实际实现4T-4S步进和重复单位像素300时，将光电二极管布置在与图3的电路图中示出的位置相同的位置上。因此，4T-4S步进和重复单位像素200具有通过将四个竖直地布置到单个单元内的光电二极管的合并而得到的结构。4T-4S步进和重复单位像素300具有矩形结构，并且将传输控制信号Tx00、Tx10、Tx20和Tx30分别施加到连接到四个光电二极管的传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极。
将图2和图3的4T-4S步进和重复单位像素200和300互相比较，图2的4T-4S步进和重复单位像素200是通过合并在两条水平线上布置的全体四个光电二极管形成的，每条水平线具有两个光电二极管，而图3的4T-4S步进和重复单位像素300是通过沿着单条竖直线串联地布置的四个光电二极管形成的。由于这个原因，图2的4T-4S步进和重复单位像素200需要将传输控制信号施加给两条线0和1，而图3的4T-4S步进和重复单位像素300需要将传输控制信号施加给4条线0、1、2和3。
发明内容
技术问题
如上所述，因为用来检测绿色组分的两个光电二极管是对角地布置的，所以应当如在图2中所示，将两个光电二极管中的一个布置在第一竖直线上，而应当将另一个光电二极管布置在第二竖直线上。因此，在由Micro科技有限公司提出的图2的所述4T-4S步进和重复单位像素200中，交替地启用了用于检测绿色组分的光电二极管和用于检测红色或蓝色组分的光电二极管。相应地，在处理所述绿色组分中可能存在误差，将该绿色组分被认为是最重要的颜色组分。
通常地，当某一单位像素失效时，可以向从其它相邻的单位像素检测到的图像信号应用恢复算法，以便补偿所述失效，仿佛失效的单位像素正常工作。另一方面，因为由三星电子有限公司提出的图3的4T-4S步进和重复单位像素300具有串联地竖直连接的像素的矩形结构，所以当任一单位像素失效时，在没有变化的情况下不能应用传统的恢复算法。因此，考虑到前述的布局差异应当重新设计处理电路，并且所述图像传感器的大小也增加。
技术方案
本发明提供4T-4S步进和重复单位像素，通过该4T-4S步进和重复单位像素，在处理所述绿色组分期间几乎不产生误差，并且可以在没有变化的情况下向失效的单位像素施加传统的恢复算法。
此外，本发明提供了图像传感器，该图像传感器包括具有前述优势的多个4T-4S步进和重复单位像素。
根据本发明的一方面，4T-4S步进和重复单位像素包括对于四个光电二极管的扩散区图案。第二光电二极管扩散区图案提供在从第一光电二极管扩散区图案的右上对角方向，并且通过扩展将所述第一光电二极管扩散区图案的右上角和所述第二光电二极管扩散区图案的左下角彼此连接。第三光电二极管扩散区图案提供在所述第二光电二极管扩散区图案的上面。将第四光电二极管扩散区图案提供在所述第一光电二极管扩散区图案上面从所述第三光电二极管扩散区图案的左上对角的方向上。通过扩展将所述第三光电二极管扩散区图案的左上角和所述第四光电二极管扩散区图案的右下角彼此连接。
根据本发明的另一方面，4T-4S步进和重复单位像素包括对于光电二极管的四个扩散区图案。第二光电二极管扩散区图案提供在从第一光电二极管扩散区图案的左上对角的方向。第三光电二极管扩散区图案提供在所述第一光电二极管扩散区图案上面从所述第二光电二极管扩散区图案的右上对角方向。第四光电二极管扩散区图案提供在所述第二光电二极管扩散区图案上面从所述第三光电二极管扩散区的左上对角方向。通过扩展将所述第一和第二光电二极管扩散区图案的最邻近的角彼此连接，并且通过扩展将所述第三和第四光电二极管扩散区图案的最邻近的角彼此连接。
根据本发明的再一方面，提供了图像传感器，所述图像传感器包括在水平的和竖直的方向上布置的多个4T-4S步进和重复单位像素，该单位像素中的每一个均具有：第一光电二极管扩散区图案；第二光电二极管扩散区图案，提供在从所述第一光电二极管扩散区图案在对角线的方向上；第三光电二极管扩散区图案，提供在所述第二光电二极管扩散区图案上面；和第四光电二极管扩散区图案，提供在所述第一光电二极管扩散区图案上面从所述第三光电二极管扩散区图案在对角线的方向上，其中，在所述4T-4S步进和重复单位像素中的一个中，将绿色滤色镜提供在所述第一和第二光电二极管扩散区图案之上，将红色滤色镜提供在所述第三光电二极管扩散区图案之上，并且将蓝色滤色镜提供所述第四光电二极管扩散区图案之上，和其中，在另一个相邻的4T-4S步进和重复单位像素中，将红色滤色镜提供在所述第一光电二极管扩散区图案之上，将蓝色滤色镜提供在所述第二光电二极管扩散区图案之上，并且将绿色滤色镜提供在所述第三和第四光电二极管扩散区图案之上。
根据本发明的又一方面，提供了图像传感器，所述图像传感器包括在水平和竖直方向上布置的多个4T-4S步进和重复单位像素，所述单位像素中的每一个均具有：第一光电二极管扩散区图案；从所述第一光电二极管扩散区图案在对角的方向上提供的第二光电二极管扩散区图案；在所述第一光电二极管扩散区图案上面从所述第二光电二极管扩散区图案在对角的方向上提供的第三光电二极管扩散区图案；和在所述第二光电二极管扩散区图案上面从所述第三光电二极管扩散区图案在对角的方向上提供的第四光电二极管扩散区图案，其中，在所述4T-4S步进和重复单位像素其中之一中，将绿色滤色镜提供在所述第一、第二、第三和第四光电二极管扩散区图案之上，并且其中，在另一个相邻的4T-4S步进和重复单位像素中，将蓝色滤色镜提供在所述第一和第三光电二极管扩散区图案之上，而将红色滤色镜提供在所述第二和第四光电二极管扩散区图案之上。
有益效果
根据本发明的所述4T-4S步进和重复单位像素是通过将四个4T单位像素合并到单个单位像素中并且允许四个单位像素共享共同的图像信号转换电路得到的。因此，使每个像素需要的晶体管的数量降低到1.75。假设其它条件是相同的，则与仅两个4T单位像素共同地共享单个图像信号转换电路的情况比较，可以由所述光电二极管占有的面积增加。这将提高所述图像传感器的所述开口率。因为用来检测来自图像信号的仅绿色组分的四个光电二极管是由单个共同的图像信号转换电路处理的，所以当绿色组分是从不同的单位像素检测到的并且处理时，可能使可能产生的数据处理误差最小化。此外，在没有变化的情况下可能向任一失效的单位像素应用传统的恢复算法，以允许处理失效的像素仿佛失效的单位像素正常操作。
附图说明
通过参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其它特征和优势将变得更清楚，其中：
图1示出生成传统的4T-4S步进和重复单位像素的过程；
图2是传统的4T-4S步进和重复单位像素的电路图；
图3是传统的4T-4S步进和重复单位像素的另一电路图；
图4是根据本发明的第一实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图；
图5是根据第一实施方式的图4的4T-4S步进和重复单位像素的电路图；
图6是根据本发明的第二实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图；
图7是根据第二实施方式的图6的4T-4S步进和重复单位像素的电路图；
图8是根据本发明的第三实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图；
图9是根据第三实施方式的图8的4T-4S步进和重复单位像素的电路图；
图10是根据本发明的第四实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图；
图11是根据第四实施方式的图10的4T-4S步进和重复单位像素的电路图；
图12是4T-4S步进和重复单位像素的布局图，在图中，将接触区和金属线进一步提供在活性扩散区图案和图5的栅极层上；和
图13是4T-4S步进和重复单位像素的布局图，在图中，将接触区和金属线进一步提供在活性扩散区图案和图7的栅极层上。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。
图4是根据本发明的第一实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图。
图5是根据第一实施方式的图4的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。
应当注意到，已经考虑到图4的光电二极管的位置关系绘出图5的电路，并且从电路理论的观点看图5的电路与图2和图3的电路没有什么不同。还可以将这种概念应用到后面将描述的图7、图9和图11中。
参见图4，在根据第一实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图案中，对于四个光电二极管的扩散区图案PD1到PD4和对于图像信号转换电路的扩散区图案D1到D3是由实线限定的。将四个传输晶体管M21、M22、M23和M24提供在对于光电二极管的光电二极管扩散区图案PD1到PD4是彼此连接的部分中。在本发明中，参考符号G表示绿色，参考符号R表示红色，并且参考符号B表示蓝色。这意味着具有在括号中的参考符号R、G或B的光电二极管从图像信号检测对应的颜色组分。应当注意到，在下文中，虽然没有专门限定，但是在引用了相应的光电二极管的任何时候，不管是否明显地标记了参考符号R、G和B，这个意义将是一致地适用的。
实际上，将滤色镜提供在光电二极管之上，以便允许光电二极管中的每个检测绿色、红色和蓝色组分中的其中之一。也就是说，参见图4，绿色滤色镜提供在第一和第二光电二极管PD1和PD2之上，并且红色和蓝色滤色镜分别提供在第三和第四光电二极管PD3和PD4之上。
第二光电二极管扩散区图案PD2提供在从第一光电二极管扩散区图案PD1的右上对角的方向上。通过延展将第一光电二极管扩散区图案PD1的右上角和第二光电二极管扩散区图案PD2的左下角彼此连接。第三光电二极管扩散区图案PD3提供在第二光电二极管扩散区图案PD2上面。第四光电二极管扩散区图案PD4提供在第一光电二极管扩散区图案PD1上面从第三光电二极管扩散区图案PD3的左上对角的方向上。通过延展将第三光电二极管扩散区图案PD3的左上角和第四光电二极管扩散区图案PD4的右下角彼此连接。
将第一扩散区图案D1提供在第二和第三光电二极管扩散区图案PD2和PD3之间。将第二扩散区图案D2提供在第一扩散区图案D1的左侧中第二和第三光电二极管扩散区图案PD2和PD3之间。将第三扩散区图案D3提供在第三光电二极管扩散区图案PD3上面从第四光电二极管扩散区图案PD4的右上对角线的方向上。
在图4中，栅极图案是由虚线限定的。将对于第一传输晶体管M21的栅极图案提供在第一光电二极管扩散区图案PD1的角附近，并且将对于第二传输晶体管M22的栅极图案提供在第一光电二极管扩散区图案PD1的右上角和第二光电二极管扩散区图案PD2的左下角之间的延伸中靠近第二光电二极管扩散区图案PD2的位置处。将对于第三传输晶体管M23的栅极图案提供在第三光电二极管扩散区图案PD3的附近，并且将对于第四传输晶体管M24的栅极图案提供在第三光电二极管扩散区图案PD3的左上角和第四光电二极管扩散区图案PD4的右下角之间的延伸中靠近第四光电二极管扩散区图案PD4的位置处。
将对于复位晶体管M25、转换晶体管M26和选择晶体管M27的栅极图案分别提供在第一、第二和第三扩散区图案D1、D2和D3上。
参见图4和图5，在形成前述的栅极图案之后完成所有的处理之后，将第一、第二、第三和第四传输控制信号Tx00、Tx11、Tx21和Tx30分别施加到传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极。此外，将复位信号Rx施加到复位晶体管M25的栅极。传输晶体管M21、M22、M23和M24的共同端和复位晶体管M25的终端连接到转换晶体管M26的栅极。将选择信号Sx施加到选择晶体管M27的栅极。
四个传输控制信号的标号的前者表示水平线号，后者表示竖直线号。因此，第一传输控制信号Tx00启用位于第一水平线0和第一竖直线0上的第一传输晶体管M21。类似地，第二传输控制信号Tx11启用位于第二水平线1和第二竖直线1上的第二传输晶体管M22，第三传输控制信号Tx21启用位于第三水平线2和第二竖直线1上的第三传输晶体管M23，并且第四传输控制信号Tx30启用位于第四水平线3和第一竖直线0上的第四传输晶体管M24。
当将图4的4T-4S步进和重复单位像素400的第一、第二、第三和第四传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极分别连接到四条不同的信号线Tx00、Tx11、Tx21和Tx30时，图2的传统的4T-4S步进和重复单位像素200的第一、第二、第三和第四传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极连接到两条不同的信号线Tx0和Tx1。
根据本发明的4T-4S步进和重复单位像素400和传统的4T-4S步进和重复单位像素300在依以下方面是彼此类似的，即，第一、第二、第三和第四传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极分别连接到四条不同的信号线Tx0、Tx1、Tx2和Tx3。但是，光电二极管的位置不同如下。
在图3的传统的4T-4S步进和重复单位像素300中，将沿着单条竖直线0横跨四条水平线0到3排列的四个光电二极管合并成单个单位像素。但是，在根据本发明的图4的4T-4S步进和重复单位像素400中，将沿着两条竖直线0和1横跨四条水平线0到3布置的四个光电二极管合并成单个单位像素。因为两个光电二极管是布置在对角的方向上的，所以与图3的单位像素比较，相邻的单位像素之间的面积增加。因此，即使当相应的单位像素失效时，可以使用传统的恢复算法处理信号，仿佛失效的单位像素正常地操作。应当注意到，单位像素失效的情况包括所有的晶体管都失效以及单位像素的晶体管其中之一失效。
图6是根据本发明的第二实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图。
图7是根据第二实施方式的图6的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。
参见图6，在根据第二实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图中，对于四个光电二极管的扩散区图案PD1到PD4和对于图像信号转换电路的扩散区图案D1到D3是由实线限定的。将四个传输晶体管M21、M22、M23和M24横跨光电二极管扩散区图案PD1到PD4的各个延伸提供。
第二光电二极管扩散区图案PD2提供在从第一光电二极管扩散区图案PD1在左上对角线的方向上。第三光电二极管扩散区图案PD3提供在第一光电二极管扩散区图案PD1上面从第二光电二极管扩散区图案PD2在右上对角线的方向上。第四光电二极管扩散区图案PD4提供在第二光电二极管扩散区图案PD2上面从第三光电二极管扩散区图案PD3在左上对角线的方向上。
第一扩散区图案D1提供在第三光电二极管扩散区图案PD3下面从第二光电二极管扩散区图案PD2在右上对角线的方向上。第二扩散区图案D2提供在第三光电二极管扩散区图案PD3下面从第一扩散区图案D1在右上对角线的方向上。第三扩散区图案D3提供在第三光电二极管扩散区图案PD3上面从第四光电二极管扩散区图案PD4在右上对角线的方向上。
通过延伸将第三光电二极管扩散区图案PD1的左上角和第四光电二极管扩散区图案PD2的右下角彼此延伸。类似地，通过延伸将第三光电二极管扩散区图案PD3的左上角和第四光电二极管扩散区图案PD4的右下角彼此连接。
在图6中，栅极图案是由虚线限定的。对于第一传输晶体管M21的栅极图案提供在靠近第一光电二极管扩散区图案PD1的角的位置处，对于第二传输晶体管M22的栅极图案提供在横跨共同的扩散区图案靠近第二光电二极管扩散区图案PD2的角的位置处，该共同的扩散区图案通过延伸将第一和第二光电二极管扩散区图案PD1和PD2彼此连接。对于第三传输晶体管M23的栅极图案提供在靠近第三光电二极管扩散区图案PD3的角的位置处，并且对于第四传输晶体管M24的栅极图案提供在横跨共同的扩散区图案靠近第四光电二极管扩散区图案PD4的角的位置处，该共同的扩散区图案通过延伸将第三和第四光电二极管扩散区图案PD3和PD4彼此连接。
对于复位晶体管M25、转换晶体管M26和选择晶体管M27的栅极，分别提供了第一、第二和第三扩散区图案D1、D2和D3。
虽然在图6中没有示出，但是在形成了前述的栅极图案之后完成所有处理之后，将第一、第二、第三和第四传输控制信号Tx01、Tx10、Tx21和Tx30分别施加到传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极。此外，向复位晶体管M25的栅极施加复位信号Rx。将传输晶体管M21、M22、M23和M24的共同端和复位晶体管M25的终端连接到转换晶体管M26的栅极。将选择信号Sx施加到选择晶体管M27的栅极。
参见图6和图7，将第一传输控制信号Tx01施加到位于第一水平线0和第二竖直线1上的第一传输晶体管M21的栅极。将第二传输控制信号Tx10施加到位于第二水平线1和第一竖直线0上的第二传输晶体管M22。将第三传输控制信号Tx21施加到位于第三水平线2和第二竖直线1上的第三传输晶体管M23的栅极。将第四传输控制信号Tx30施加到位于第四水平线3和第一竖直线0上的第四传输晶体管M24的栅极。
参见图6，第一、第二、第三和第四光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4用来从施加到图像传感器的图像信号检测绿色组分，如果在相应的光电二极管之上提供了绿色滤色镜。这反映在括号中的参考符号G中。也就是，根据第二实施方式的图6的4T-4S步进和重复单位像素的四个光电二极管可以用来检测来自图像信号的绿色组分。在这个情况中，因为单个单位像素的所有光电二极管都用来检测相同的颜色组分，即，绿色组分，所以可能使数据处理误差最小化。此外，可能将四个光电二极管的图案的不一致性补偿到某一程度。
在图6中，根据第二实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的全部四个光电二极管都检测绿色组分。但是，如果在根据第二实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的光电二极管的之上提供了红色或者蓝色滤色镜，则也可以从图像信号中检测红色或者蓝色组分。虽然在图6中没有示出，但是如果将蓝色和红色滤色镜适当地提供在相邻单位像素的光电二极管之上，该相邻单位像素邻接在光电二极管之上仅具有绿色滤色镜的单位像素，那么图像传感器可以从图像信号中检测蓝色和红色组分以及绿色组分。例如，在第一和第三光电二极管PD1和PD3之上可以提供蓝色滤色镜，并且在第二和第四光电二极管PD2和PD4之上可以提供红色滤色镜。
在相邻的单位像素中，该相邻的单位像素具有在光电二极管之上适当地提供的蓝色和红色滤色镜并且邻接仅具有绿色滤色镜的单位像素，第一、第二、第三和第四传输控制信号Tx01、Tx10、Tx21和Tx30将分别施加到第一、第二、第三和第四传输晶体管的栅极。
图8是根据本发明的第三实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图。
图9是根据第三实施方式的图8的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。
参见图8，关于连接第一光电二极管PD1与第四光电二极管PD4的虚拟y轴，根据第三实施方式的4T-4S步进和重复单位像素800对于根据第一实施方式的图4的4T-4S步进和重复单位像素是对称的。优选地，在对应的光电二极管之上提供了滤色镜，使得从图像信号，第一光电二极管可以检测红色组分，第二光电二极管PD2可以检测蓝色组分，并且第三和第四光电二极管PD3和PD4可以检测绿色组分。
第一、第二、第三和第四传输控制信号Tx01、Tx10、Tx20和Tx31分别施加到位于第一水平线0和第二竖直线1上的第一传输晶体管M21、位于第二水平线1和第一竖直线0上的第二传输晶体管M22、位于第三水平线2和第一竖直线0上的第三传输晶体管M23和位于第四水平线3和第二竖直线1上的第四传输晶体管M24的栅极。
因为在根据第一和第三实施方式的图4和图8的4T-4S步进和重复单位像素400和800之间光电二极管的位置是对称的，所以施加给连接到光电二极管的对应的传输晶体管的传输控制信号也不同。也就是说，当将传输控制信号Tx01、Tx10、Tx20和Tx31施加给图8的传输晶体管时，传输控制信号Tx00、Tx11、Tx21和Tx30施加给图4的传输晶体管。
图10是根据本发明的第四实施方式的4T-4S步进和重复单位像素的布局图。
图11是根据第四实施方式的图10的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。
参见图10，关于穿过图中央的虚拟的y轴，根据第四实施方式的4T-4S步进和重复单位像素1000对根据第二实施方式的图6的4T-4S步进和重复单位像素是对称的。优选地，将滤色镜提供在对应的光电二极管之上，使得从图像信号，第一和第三光电二极管PD1(B)和PD3(B)可以检测蓝色组分，并且第二和第四光电二极管PD2(R)和PD4(R)可以检测红色组分。
第一、第二、第三和第四传输控制信号Tx00、Tx11、Tx20和Tx31分别施加给位于第一水平线0和第一竖直线0上的第一传输晶体管M21、位于第二水平线1和第二竖直线1上的第二传输晶体管M22、位于第三水平线2和第一竖直线0上的第三传输晶体管M23和位于第四水平线3和第二竖直线1上的第四传输晶体管M24的栅极。
因为在根据第二和第四实施方式的图6和图10的4T-4S步进和重复单位像素之间光电二极管的位置是对称的，所以施加给连接到光电二极管的相应的传输晶体管的传输控制信号也不同。也就是说，当将传输控制信号Tx00、Tx11、Tx20和Tx31施加给图10的四个传输晶体管时，传输控制信号Tx01、Tx10、Tx21和Tx30施加给图6的四个传输晶体管。
图12是4T-4S步进和重复单位像素的布局图，在图中，将接触区和金属线进一步提供在活性扩散区图案和图5的栅极层上。
图13是4T-4S步进和重复单位像素的布局图，在图中，将接触区和金属线提供在活性扩散区图案和图7的栅极层上。
参见图12和图13，带有X的框指的是接触区，因为这对本领域的技术人员是明显的，因此将不对接触区进行更详细的描述。
如上面描述的，因为四个像素共享具有三个晶体管M25、M26和M27的共同的图像信号转换电路，所以每个像素需要的晶体管的数量变成1.75。如果其它条件是相同的，与仅两个像素共同地共享单个图像信号转换电路的情况比较，可以由光电二极管占有的面积增加。这将提高图像传感器的开口率。
尽管已经参考本发明的示例性实施方式详细地示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在没有背离权利要求限定的本发明的精神和保护范围的条件下可以在本发明中进行多种形式和细节上的变化。

Claims (7)

1.一种4T-4S步进和重复单位像素，包括：
第一光电二极管扩散区图案；
第二光电二极管扩散区图案，提供在从所述第一光电二极管扩散区图案在右上对角线的方向上；
第三光电二极管扩散区图案，提供在所述第二光电二极管扩散区图案上面；和
第四光电二极管扩散区图案，提供在所述第一光电二极管扩散区图案上面从所述第三光电二极管扩散区在左上对角线的方向上。
2.根据权利要求1所述的4T-4S步进和重复单位像素，进一步包括：
第一扩散区图案，提供在所述第二和第三光电二极管扩散区图案之间；
第二扩散区图案，提供在所述第一扩散区图案旁边在所述第二和第三光电二极管扩散区图案之间；和
第三扩散区图案，提供在所述第三光电二极管扩散区图案上面从所述第四光电二极管扩散区图案在对角线的方向上。
3.根据权利要求1所述的4T-4S步进和重复单位像素，
其中，通过延伸将所述第一和第二光电二极管扩散区图案的最邻近的角彼此连接，和
其中，通过延伸将所述第三和第四光电二极管扩散区图案的最邻近的角彼此连接。
4.根据权利要求3所述的4T-4S步进和重复单位像素，
其中，第一传输晶体管提供在靠近所述第一光电二极管扩散区图案的角的位置处，第二传输晶体管提供在共同的扩散区图案中靠近所述第二光电二极管扩散区图案的角的位置处，所述共同的扩散区图案通过延伸将所述第一和第二光电二极管扩散区图案彼此连接，
其中，第三传输晶体管提供在靠近所述第三光电二极管扩散区图案的角的位置处，第四传输晶体管提供在共同的扩散区图案中靠近所述第四光电二极管扩散区图案的角的位置处，所述共同的扩散区图案通过延伸将所述第三和第四光电二极管扩散区图案彼此连接，和
其中，第一、第二、第三和第四传输控制信号施加到所述第一、第二、第三和第四传输晶体管的栅极。
5.根据权利要求4所述的4T-4S步进和重复单位像素，
其中，所述第一传输控制信号启用位于第n水平线和第n竖直线上的传输晶体管，
其中，所述第二传输控制信号启用位于第(n+1)水平线和第(n+1)竖直线上的传输晶体管，
其中，所述第三传输控制信号启用位于第(n+2)水平线和第(n+1)竖直线上的传输晶体管，和
其中，所述第四传输控制信号启用位于第(n+3)水平线和第n竖直线上的传输晶体管，其中，n表示任何整数。
6.根据权利要求2所述的4T-4S步进和重复单位像素，
其中，将复位晶体管实现在所述第一扩散区图案中，将转换晶体管实现在所述第二扩散区图案中，并且将复位晶体管实现在所述第三扩散区图案中，并且
其中，将选择控制信号施加到所述复位晶体管的栅极，并且将选择信号施加到所述选择晶体管的栅极。
7.一种图像传感器，包括在水平和竖直方向上布置的多个4T-4S步进和重复单位像素，每个单位像素均具有：
第一光电二极管扩散区图案；
第二光电二极管扩散区图案，提供在从所述第一光电二极管扩散区图案在右上对角线的方向上；
第三光电二极管扩散区图案，提供在所述第二光电二极管扩散区图案上面；和
第四光电二极管扩散区图案，提供在所述第一光电二极管扩散区图案上面从所述第三光电二极管扩散区图案在左上对角线的方向上，
其中，在所述4T-4S步进和重复单位像素中的一个中，将绿色滤色镜提供在所述第一和第二光电二极管扩散区图案之上，将红色滤色镜提供在所述第三光电二极管扩散区图案之上，并且将蓝色滤色镜提供所述第四光电二极管扩散区图案之上，和
其中，在另一个相邻的4T-4S步进和重复单位像素中，将红色滤色镜提供在所述第一光电二极管扩散区图案之上，将蓝色滤色镜提供在所述第二光电二极管扩散区图案之上，并且将绿色滤色镜提供在所述第三和第四光电二极管扩散区图案之上。
CN200880111237XA 2007-10-15 2008-10-14 4t-4s步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器 Active CN101821850B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070103301A KR100858033B1 (ko) 2007-10-15 2007-10-15 4ｔ－4ｓ 스텝 ＆ 리피트 단위픽셀 및 상기 단위픽셀을구비하는 이미지센서
KR10-2007-0103301 2007-10-15
PCT/KR2008/006030 WO2009051379A2 (en) 2007-10-15 2008-10-14 4t-4s step & repeat unit pixel and image sensor including the unit pixel

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101821850A CN101821850A (zh) 2010-09-01
CN101821850B true CN101821850B (zh) 2011-09-14

Family

ID=40022950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200880111237XA Active CN101821850B (zh) 2007-10-15 2008-10-14 4t-4s步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8263923B2 (zh)
EP (1) EP2208228A2 (zh)
KR (1) KR100858033B1 (zh)
CN (1) CN101821850B (zh)
WO (1) WO2009051379A2 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7989749B2 (en) * 2007-10-05 2011-08-02 Aptina Imaging Corporation Method and apparatus providing shared pixel architecture
GB2466213B (en) 2008-12-12 2013-03-06 Cmosis Nv Pixel array with shared readout circuitry
JP5029624B2 (ja) * 2009-01-15 2012-09-19 ソニー株式会社 固体撮像装置及び電子機器
JP5564874B2 (ja) * 2009-09-25 2014-08-06 ソニー株式会社 固体撮像装置、及び電子機器
FR2979485B1 (fr) * 2011-08-26 2016-09-09 E2V Semiconductors Capteur d'image a regroupement de pixels
JP2014064251A (ja) * 2012-09-24 2014-04-10 Toshiba Corp 固体撮像装置及び撮像方法
US9774801B2 (en) 2014-12-05 2017-09-26 Qualcomm Incorporated Solid state image sensor with enhanced charge capacity and dynamic range
FR3030884B1 (fr) * 2014-12-19 2016-12-30 Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas Structure de pixel a multiples photosites
KR101685077B1 (ko) 2015-08-18 2016-12-09 연세대학교 산학협력단 작은 크기의 픽셀에 사용 가능한 선형성을 증가시킨 픽셀 통합 개회로 증폭기
KR20170056909A (ko) * 2015-11-16 2017-05-24 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
DE112020002523T5 (de) 2019-05-24 2022-03-24 Sony Semiconductor Solutions Corporation Festkörper-bildgebungsvorrichtung und abstandsmessvorrichtung
US11438486B2 (en) 2019-08-26 2022-09-06 Qualcomm Incorporated 3D active depth sensing with laser pulse train bursts and a gated sensor

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1734779A (zh) * 2004-08-11 2006-02-15 索尼株式会社 固态成像器件和成像装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100674923B1 (ko) * 2004-12-03 2007-01-26 삼성전자주식회사 인접한 화소간에 출력회로를 공유하는 씨모스 이미지 센서
KR100690880B1 (ko) * 2004-12-16 2007-03-09 삼성전자주식회사 픽셀별 광감도가 균일한 이미지 센서 및 그 제조 방법
JP4752447B2 (ja) * 2005-10-21 2011-08-17 ソニー株式会社 固体撮像装置およびカメラ
KR100828942B1 (ko) * 2006-12-19 2008-05-13 (주)실리콘화일 4ｔ-4ｓ 스텝 ＆ 리피트 단위 셀 및 상기 단위 셀을 구비한 이미지센서, 데이터 저장장치, 반도체 공정 마스크, 반도체 웨이퍼

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1734779A (zh) * 2004-08-11 2006-02-15 索尼株式会社 固态成像器件和成像装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20100252718A1 (en) 2010-10-07
WO2009051379A3 (en) 2009-07-16
KR100858033B1 (ko) 2008-09-10
CN101821850A (zh) 2010-09-01
EP2208228A2 (en) 2010-07-21
WO2009051379A2 (en) 2009-04-23
US8263923B2 (en) 2012-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101821850B (zh) 4t-4s步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器
US10158832B2 (en) Lens and color filter arrangement, super-resolution camera system and method
US9706132B2 (en) Camera modules patterned with pi filter groups
CN103648378B (zh) 用于使用竖直互连的混合堆叠图像传感器的子列并行数字转换器的系统和方法
US20070291982A1 (en) Camera module
US6236434B1 (en) Solid state image pickup device
CN101895696B (zh) 固态成像设备
CN102118551A (zh) 成像装置
KR102286136B1 (ko) 컬러 필터 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 이를 이용한 적외선 정보 획득 방법
WO2013099638A1 (ja) 撮像素子及び撮像装置
JP6221082B2 (ja) カラーエイリアシングを減少するためのカラーフィルタアレイパターン
KR20160079111A (ko) 오브젝트 영역의 검출을 위한 다중-조리개 장치 및 방법
KR20130133824A (ko) Cmos 이미지 센서 화소 및 그의 제어 타이밍시퀀스
EP3651200B1 (en) Semiconductor structure of image sensor, chip and electronic apparatus
EP2680591B1 (en) Color imaging device
JP2008011532A (ja) イメージ復元方法及び装置
CN102959959A (zh) 固态成像装置驱动方法、固态成像装置及成像设备
CN101119445A (zh) 用于提高图像质量的图像传感器及使用其的图像感测方法
CN113810637A (zh) 用于减少图像信息损失的像素阵列和包括其的图像传感器
WO2008075846A1 (en) 4 transistors 4 shared step & repeat unit cell and 4 transistors 4 shared image sensor including the unit cells
TWI683576B (zh) 具有鏡像對稱像素行之影像感測器
CN113382214A (zh) 图像感测装置及其图像合并方法
WO2021258265A1 (zh) 图像传感器、摄像头以及电子设备
WO2009057924A2 (en) 4t-2s step & repeat unit pixel
TW202308147A (zh) 影像感測裝置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20170217

Address after: Gyeonggi Do, South Korea

Patentee after: Hynix Semiconductor Co., Ltd.

Address before: Seoul, South Kerean

Patentee before: Siliconfile Technologies Inc.