CN102214663A - 一种光学成像器件结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学成像器件结构，该结构是由多个结构完全相同的成像器件构成的成像阵列，该多个成像器件被分为若干组，每一组中的成像器件具有相同的数目和相同的排列结构，且每组成像器件均包括一个参考单元和至少一个成像单元，该参考单元和成像单元是结构完全相同的成像器件，每组成像器件中的参考单元和成像单元相距近，工艺偏差小，在执行复位、成像、读取操作时受到的共模干扰相同。本发明通过略微增加光学传感器内部成像器件的面积，避免了工艺失配、复位、成像和读取操作引入的共模噪声和非线性影响，获得了更加接近实际的光学信息。

Description

一种光学成像器件结构

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种光学传感器内部成像器件结构。

背景技术

光学传感器技术已经广泛应用于现代科技、国防和工农业等领域。其主要采用感光元件将探测到的光波信号转换成相应的电学信号，以供后继信号处理系统进行识别、处理。

图1(a)所示为光学传感器内部单个成像器件结构示意图。每个成像器件包括控制栅极(Control Gate)CG、浮动栅极(Floating Gate)FG、源极S、漏极D与P型掺杂衬底B，而衬底B和浮动栅极FG，以及浮动栅极FG和控制栅极CG之间都采用氧化层隔离。

图1(b)所示为第一种对单个成像器件进行成像操作的示意图。当成像器件受到光波辐射时，其衬底中将产生光电子，而光电子的数目与光辐射强度成正比。若在光波辐射成像器件前，将成像器件的源极S、漏极D以及衬底B接到参考电势Vref，将成像器件的控制栅极CG接相对于参考电势为VP的高频脉冲，成像器件衬底将进入深耗尽状态，在纵向电场的作用下，部分光电子会发生FN隧穿，到达浮动栅极FG中，而发生隧穿的电子数量和光电子的数量成比例，也就和光波辐射强度成比例。根据以上原理就能将光波信号转换为电学信号存储在成像器件的浮动栅极FG中。

图1(d)所示为对成像器件内部信息进行读取操作的示意图。在成像器件的源极S和衬底B上施加参考电势Vref，在其漏极施加相对于参考电势为VRD的电平，在其控制栅极CG上施加一相对于参考电势为VR的电平，则在成像器件的漏极D和源极S之间就会产生电流Ids，此电流的大小与成像器件的阈值电压VT成比例，而成像器件的阈值电压VT与成像器件浮动栅极FG中的电子数量成正比，因此按此方法得到的读取电流Ids就可以反映成像器件内部所存储的电学信息。

图3所示为简单的对光学传感器内部成像器件进行成像、读取的原理性流程图。在光学传感器每次成像之前都将对成像器件进行复位操作，然后成像。在需要对成像信息进行处理时可以通过读取成像器件的漏极电流Ids得到所存储的信息，然后将此信号进行放大后可用做后继信号处理。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光学成像器件结构，以消除共模噪声和工艺偏差对读取结果的影响，使得到的光波辐射信息更加接近真实情况。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种光学成像器件结构，该结构是由多个结构完全相同的成像器件构成的成像阵列，该多个成像器件被分为若干组，每一组中的成像器件具有相同的数目和相同的排列结构，且每组成像器件均包括一个参考单元和至少一个成像单元，该参考单元和成像单元是结构完全相同的成像器件，每组成像器件中的参考单元和成像单元相距近，工艺偏差小，在执行复位、成像、读取操作时受到的共模干扰相同。

上述方案中，所述成像器件是基于传统的浮栅型成像器件结构，由硅衬底B、源极S、漏极D、浮动栅极FG、控制栅极CG构成，其中，硅衬底B位于器件最下层；源极S和漏极D位于硅衬底B上，且相距一定距离；浮动栅极FG位于器件结构的中间层，在硅衬底之上，且在源极S和漏极D之间；控制栅极CG位于器件结构的最上层，在浮动栅极FG之上；该硅衬底B与该浮动栅极FG之间，以及该浮动栅极FG与该控制栅极CG之间都采用绝缘层隔离。

上述方案中，所述每组成像器件包括一个参考单元C0和一个成像单元C1，该参考单元C0和成像单元C1是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0和该成像器件C1相邻排列且位于成像阵列中的同一列或同一行。

上述方案中，所述每组成像器件包括一个参考单元和两个成像单元，该参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0位于第一成像单元C1与第二成像单元C2的中间，第一成像单元C1和第二成像单元C2相对于参考单元C0呈对称分布，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2分布在同一列或同一行上。

上述方案中，所述每组成像器件包括一个参考单元和三个成像单元，该参考单元C0、第一成像单元C1、第二成像单元C2和第三成像单元C3是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0位于第一成像单元C1与第二成像单元C2的中间，第一成像单元C1和第二成像单元C2相对于参考单元C0呈对称分布，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2分布在同一列或同一行上；

若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2排列在同一行上，第三成像单元C3则排列在位于参考单元C0同一列上且与参考单元C0相邻的位置；

若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2位于同一列上，第三成像单元C3则位于参考单元C0的同一行上且与参考单元C0相邻的位置。

上述方案中，所述每组成像器件包括一个参考单元和四个成像单元，该参考单元C0、第一成像单元C1、第二成像单元C2、第三成像单元C3和第四成像单元C4是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0位于第一成像单元C1与第二成像单元C2的中间，第一成像单元C1和第二成像单元C2相对于参考单元C0呈对称分布，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2分布在同一列或同一行上；若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2排列在同一行上，第三成像单元C3则排列在位于参考单元C0同一列上且与参考单元C0相邻的位置；若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2位于同一列上，第三成像单元C3则位于参考单元C0的同一行上且与参考单元C0相邻的位置；

第四成像单元C4位于与参考单元C0和成像单元C3的同一行或同一列上，且位置与成像单元C3一起相对于参考单元C0对称，因此，第一成像单元C1、参考单元C0、第二成像单元C2的分布与第三成像单元C3、参考单元C0、第四成像单元C4的分布都位于同一条直线上；若第一成像单元C1、参考单元C0、第二成像单元C2分布于同一行上，则第三成像单元C3、参考单元C0、第四成像单元C4分布于同一列上；反之若第一成像单元C1、参考单元C0、第二成像单元C2分布于同一列上，则第三成像单元C3、参考单元C0、第四成像单元C4分布于同一行上。

上述方案中，所述每组成像器件包括一个参考单元和至少五个的成像单元，而每组中的成像单元的部分分布在与参考单元相同的列上，而其他成像单元则分布在与参考单元相同的行上。

上述方案中，所述每组成像器件包括九个完全相同的基于传统的浮栅型器件结构的成像器件，这九个成像器件构成一个三行、三列的阵列，其中位于最中心的，第二行、第二列的器件作为这一组器件的参考单元C0，其余八个器件作为成像单元。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、在不增加外围读取电路复杂程度的前提下，通过略微增加成像器件的面积，使得最终对光波辐射信息的读取结果采用有光辐射时成像器件的信息和无光辐射时成像器件的成像信息之间的差模信号，从而消除了共模噪声对读取结果的影响。

2、由于同一组器件中成像单元与参考单元相隔较近，工艺偏差对它们的影响大致相同，而读取结果采用它们的差模信息，因此可以消除工艺偏差对读取结果的影响。

综合以上两条有益效果，采用此成像器件结构以及成像、读取方法得到的光波辐射信息更加接近真实情况。

附图说明

图1为光学传感器内单个成像器件结构图以及相应的两种成像原理示意图；

图2为对光学传感器内成像器件存储信息的读取示意图；

图3为简单的成像器件成像、读取操作流程图；

图4为本发明第一较佳实施例中器件排列简化示意图；

图5为本发明第二较佳实施例中器件排列简化示意图；

图6为本发明第三较佳实施例中器件排列简化示意图；

图7为本发明第四较佳实施例中器件排列简化示意图；

图8为本发明第五较佳实施例中器件排列简化示意图；

图9为本发明其他实施例中器件排列简化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种光学成像器件结构，是由多个结构完全相同的成像器件构成的成像阵列，该多个成像器件被分为若干组，每一组中的成像器件具有相同的数目和相同的排列结构，且每组成像器件均包括一个参考单元和至少一个成像单元，该参考单元和成像单元是结构完全相同的成像器件，每组成像器件中的参考单元和成像单元相距近，工艺偏差小，在执行复位、成像、读取操作时受到的共模干扰相同。在保证以上特征的同时，还应使每组器件的填充因子尽量大。

其中，成像器件是基于传统的浮栅型成像器件结构，由硅衬底B、源极S、漏极D、浮动栅极FG、控制栅极CG构成，其中，硅衬底B位于器件最下层；源极S和漏极D位于硅衬底B上，且相距一定距离；浮动栅极FG位于器件结构的中间层，在硅衬底之上，且在源极S和漏极D之间；控制栅极CG位于器件结构的最上层，在浮动栅极FG之上；该硅衬底B与该浮动栅极FG之间，以及该浮动栅极FG与该控制栅极CG之间都采用绝缘层隔离。

图4(a)和图2所示为本发明第一较佳实施例，每组器件包括两个单元的器件结构示意图之一。此实施例中每组所包含的两个单元分布在同一行上，其中C0为参考单元，C1为成像单元。参考单元C0和成像单元C1具有完全相同的结构，并呈现对称分布，因此它们的位置可以相互交换。图4(b)所示为本发明第一较佳实施例的每组器件包括两个单元的器件结构示意图之二。此实施例中每组所包含的两个单元分布在同一列上，其中C0为参考单元，C1为成像单元。参考单元C0和成像单元C1具有完全相同的结构，并呈现对称分布，因此它们的位置可以相互交换。由图可知，本实施例的两种器件结构的填充因子约为50％。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

图5(a)所示为本发明的第二较佳实施例的每组器件包括三个单元的器件排列简化示意图之一。此实施例中每组所包含的三个单元分布在同一行上，其中中间方块为参考单元C0，两边方块分别为第一成像单元C1和第二成像单元C2，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2采用完全相同的设计，且由于第一成像单元C1和第二成像单元C2的位置关于参考单元C0对称分布，因此它们的位置可以相互调换。图5(b)所示为本发明的第二较佳实施例的每组器件包括三个单元的器件排列简化示意图之二。此实施例中每组所包含的是哪个单元分布在同一列上，其中中间方块为参考单元C0，上下方块分别为第一成像单元C1和第二成像单元C2，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2采用完全相同的设计，且由于第一成像单元C1和第二成像单元C2的位置关于参考单元C0对称分布，因此它们的位置可以相互调换。由图可知，本实施例的两种器件结构的填充因子大约为66.7％，器件整体面积可以比第一实施例有所减小。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

根据所述的第一种和第二种单组器件的排列方式的特征，还可以以此类推得到更多的分组方式及排列方式，这些方式中每组器件包括四个或者四个以上更多的器件，而这些器件都包括一个参考单元和其他若干成像单元，并且同一组内的所有器件都分布在同一行或者同一列上，参考单元位于所有器件的最中央。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

图6(a)所示为本发明的第三较佳实施例的每组器件包括四个单元的器件排列简化图之一。此实施例中每组所包含的四个单元分别为参考单元C0、第一成像单元C1、第二成像单元C2和第三成像单元C3。其中第一成像单元C1、第二成像单元C2与参考单元C0分布在同一行上，且位于参考单元的两侧，而第三成像单元C3与参考单元C0位于同一列上且位于参考单元的上方。由于第一成像单元C1、第二成像单元C2和第三成像单元C3具有完全相同的结构，因此它们的位置可以位于与参考单元C0处于同一行或者处于同一列的相邻四个位置中的任意三个位置，由此产生本实施例中四个单元的其他三种器件排列分布简化图，如图6(b)、图6(c)、图6(d)所以，且第一成像单元C1、第二成像单元C2和第三成像单元C3的在本实施例中的位置可以相互调换。由图可知，本实施例的两种器件结构的填充因子大约为75％，器件整体面积可以比第二实施例有所减小。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

图7所示为本发明的第四较佳实施例的每组器件包括五个单元的器件排列简化图。此实施例中每组所包含的五个单元分别为参考单元C0、第一成像单元C1、第二成像单元C2、第三成像单元C3和第四成像单元C4。其中参考单元C0位于这一组器件的最中央，第一成像单元C1和第二成像单元C2与成像单元C0位于同一行，且分布于成像单元C0的两侧，第三成像单元C3和第四成像单元C4与参考单元C0位于同一列，且分布于成像单元C0的两侧。由于第一成像单元C1、第二成像单元C2、第三成像单元C3和第四成像单元C4的器件结构完全相同，因此它们在图中的位置可以相互调换。由图可知，本实施例的两种器件结构的填充因子大约为80％，器件整体面积可以比第三实施例有所减小。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

根据所述的第三种和第四种单组器件的排列方式的特征，还可以以此类推得到更多的分组方式及排列方式，这些分组方式中每组器件包括一个参考单元和五个或五个以上的成像单元，而每组中的成像单元的部分分布在与参考单元相同的列上，而其他成像单元则分布在与参考单元相同的行上。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

图8所示为本发明的第五较佳实施例的每组器件包括九个单元的器件排列简化图。这组器件中的九个器件呈现出一个三行、三列的阵列，其中位于最中央的，第二排、第二列的单元作为参考单元C0，其余八个单元作为成像单元。由于此8个成像单元的器件结构完全相同，因此它们在图中的位置可以相互调换。由图可知，本实施例的两种器件结构的填充因子大约为88.9％，器件整体面积可以比第四实施例有所减小。而光学传感器内部所有器件都是由若干如此排列的组构成。

图9所示为其他四种较佳实施例中每组器件的排列简化示意图。其中浅色填充的方块都代表成像单元，其它方块代表成像单元。

综上所述，本发明在不增加外围电路复杂度的前提下，通过略微增加成像单元的面积，可有效的消除噪声及工艺偏差等对成像信息的影响，使得最终得到的成像信息更加符合实际情况。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学成像器件结构，其特征在于，该结构是由多个结构完全相同的成像器件构成的成像阵列，该多个成像器件被分为若干组，每一组中的成像器件具有相同的数目和相同的排列结构，且每组成像器件均包括一个参考单元和至少一个成像单元，该参考单元和成像单元是结构完全相同的成像器件，每组成像器件中的参考单元和成像单元相距近，工艺偏差小，在执行复位、成像、读取操作时受到的共模干扰相同。

2.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述成像器件是基于传统的浮栅型成像器件结构，由硅衬底B、源极S、漏极D、浮动栅极FG、控制栅极CG构成，其中，硅衬底B位于器件最下层；源极S和漏极D位于硅衬底B上，且相距一定距离；浮动栅极FG位于器件结构的中间层，在硅衬底之上，且在源极S和漏极D之间；控制栅极CG位于器件结构的最上层，在浮动栅极FG之上；该硅衬底B与该浮动栅极FG之间，以及该浮动栅极FG与该控制栅极CG之间都采用绝缘层隔离。

3.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述每组成像器件包括一个参考单元C0和一个成像单元C1，该参考单元C0和成像单元C1是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0和该成像器件C1相邻排列且位于成像阵列中的同一列或同一行。

4.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述每组成像器件包括一个参考单元和两个成像单元，该参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0位于第一成像单元C1与第二成像单元C2的中间，第一成像单元C 1和第二成像单元C2相对于参考单元C0呈对称分布，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2分布在同一列或同一行上。

5.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述每组成像器件包括一个参考单元和三个成像单元，该参考单元C0、第一成像单元C1、第二成像单元C2和第三成像单元C3是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0位于第一成像单元C1与第二成像单元C2的中间，第一成像单元C1和第二成像单元C2相对于参考单元C0呈对称分布，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2分布在同一列或同一行上；

若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2排列在同一行上，第三成像单元C3则排列在位于参考单元C0同一列上且与参考单元C0相邻的位置；

若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2位于同一列上，第三成像单元C3则位于参考单元C0的同一行上且与参考单元C0相邻的位置。

6.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述每组成像器件包括一个参考单元和四个成像单元，该参考单元C0、第一成像单元C1、第二成像单元C2、第三成像单元C3和第四成像单元C4是结构完全相同的成像器件，该参考单元C0位于第一成像单元C1与第二成像单元C2的中间，第一成像单元C1和第二成像单元C2相对于参考单元C0呈对称分布，并且参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2分布在同一列或同一行上；若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2排列在同一行上，第三成像单元C3则排列在位于参考单元C0同一列上且与参考单元C0相邻的位置；若参考单元C0、第一成像单元C1和第二成像单元C2位于同一列上，第三成像单元C3则位于参考单元C0的同一行上且与参考单元C0相邻的位置；

第四成像单元C4位于与参考单元C0和成像单元C3的同一行或同一列上，且位置与成像单元C3一起相对于参考单元C0对称，因此，第一成像单元C1、参考单元C0、第二成像单元C2的分布与第三成像单元C3、参考单元C0、第四成像单元C4的分布都位于同一条直线上；若第一成像单元C1、参考单元C0、第二成像单元C2分布于同一行上，则第三成像单元C3、参考单元C0、第四成像单元C4分布于同一列上；反之若第一成像单元C1、参考单元C0、第二成像单元C2分布于同一列上，则第三成像单元C3、参考单元C0、第四成像单元C4分布于同一行上。

7.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述每组成像器件包括一个参考单元和至少五个的成像单元，而每组中的成像单元的部分分布在与参考单元相同的列上，而其他成像单元则分布在与参考单元相同的行上。

8.根据权利要求1所述的光学成像器件结构，其特征在于，所述每组成像器件包括九个完全相同的基于传统的浮栅型器件结构的成像器件，这九个成像器件构成一个三行、三列的阵列，其中位于最中心的，第二行、第二列的器件作为这一组器件的参考单元C0，其余八个器件作为成像单元。

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