CN103022069A

CN103022069A - 图像传感器

Info

Publication number: CN103022069A
Application number: CN2013100094362A
Authority: CN
Inventors: 苗田乐; 方娜; 田犁; 陈杰; 汪辉
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: CN103022069B

Abstract

本发明涉及半导体器件领域，公开了一种图像传感器，提高了图像传感器的动态范围。该图像传感器包括：第一感光结构、第二感光结构、开关晶体管、比较器、像素读出电路，其中：所述开关晶体管连接于所述第一感光结构和第二感光结构之间，用于控制所述第一感光结构和第二感光结构的连接状态；所述比较器的两输入端分别连接参考电位和第二感光结构，输出端连接所述开关晶体管栅极；所述像素读出电路与第二感光结构连接，读出感光信号。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及大动态范围的图像传感器。

背景技术

图像传感器是构成数字摄像头的主要部件之一，被广泛应用于数码成像、航空航天以及医疗影像等领域。

图像传感器根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。值得一提的是，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。在天文摄影与各种夜视设备中，也广泛应用到CCD图像传感器。CMOS图像传感器正在数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域得到日益广泛的应用。

动态范围是反应图像传感器的性能的重要参数之一，它表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，就越能显示非常暗以及非常亮的图像，所能表现的图像层次也就越丰富，所包含的色彩空也越广。换句话说，动态范围越大，能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富。

因此，近年来，如何提高图像传感器的动态范围，提高图像质量，成为一个十分重要的课题。

目前有一些解决方案用于提高图像传感器的动态范围，例如采用电容耦合的方法来提高浮动扩散区（简称“FD区”）的电容。但这种方式的缺点在于需要长的设定时间，因此总体效果不够理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一图像传感器，使得能够更好地提高动态范围。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种图像传感器，置于半导体衬底表面，至少包括：第一感光结构、第二感光结构、开关晶体管、比较器、像素读出电路，其中：所述开关晶体管连接于所述第一感光结构和第二感光结构之间，用于控制所述第一感光结构和第二感光结构的连接状态；所述比较器的两输入端分别连接参考电位和第二感光结构，输出端连接所述开关晶体管栅极；所述像素读出电路与第二感光结构连接，读出感光信号。

优选地，所述第一感光结构、第二感光结构均为PN结感光晶体管，且第一感光结构、第二感光结构的N型掺杂区分别作为开关晶体管的两有源区。

优选地，所述第一感光结构的阱容量大于所述第二感光结构的阱容量。

优选地，所述第二感光结构的感光面积大于所述第一感光结构的感光面积。

优选地，所述参考电位为第二感光结构曝光饱和时的电压值。

优选地，所述第二感光结构的电位小于参考电位时，所述比较器输出高电平，所述开关晶体管导通；所述第二感光结构的电位大于或等于参考电位时，所述比较器输出低电平或无信号输出，所述开关晶体管截止。

优选地，所述像素读出电路读出感光信号时，所述开关晶体管的开关状态不发生改变。

优选地，所述像素读出电路为4T型像素读出电路，包括转移晶体管、放大器晶体管、复位晶体管和选择晶体管。

优选地，所述第二感光结构的N掺杂区作为所述转移晶体管的一有源区，所述转移晶体管的另一有源区为浮动扩散区。

优选地，所述浮动扩散区连接有并联电容。

本发明提供的图像传感器与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

由于有两个阱容量不同的感光结构进行互补，并且通过比较器在第二感光结构的光生电压达到预定门限时（对应强光的情况）接通两个感光结构，从而在强光下该图像传感器的感光结构具有更大的总体阱容量，防止饱和现象的发生，由此提高了图像传感器的动态范围的上限。

与此同时，由于第二感光结构阱容量较小，在较弱的光入射时产生更容易生产显著的光生电压，相对于第一感光结构（或者第一和第二感光结构连通的整体）对弱光检测能力更强，由此扩展了图像传感器的动态范围的下限。

具有较小阱容量的第二感光结构的感光面积还可以制备得比第一感光结构的感光面积大，从而进一步加强对弱光的检测能力。

附图说明

图1是本发明提供的图像传感器结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本具体实施方式提供一图像传感器。

图1为本具体实施方式提供的图像传感器结构示意图。

如图1所示，本具体实施方式提供的图像传感器置于半导体衬底100表面，至少包括：第一感光结构110、第二感光结构120、开关晶体管130、比较器300、像素读出电路（图中为完全示意），其中：所述开关晶体管130连接于所述第一感光结构110和第二感光结构120之间，用于控制所述第一感光结构110和第二感光结构120的连接状态；所述比较器300的第一输入端301和第二输入端302分别连接参考电位V_ref和第二感光结构120，输出端303连接所述开关晶体管130栅极201；所述像素读出电路与第二感光结构120连接，读出感光信号。

本具体实施方式中，如图1所示，第一感光结构110、第二感光结构120均为PN结感光晶体管，置于半导体衬底100上。其中，第一感光结构110包括在半导体衬底100上形成的第一导电类型的第一掺杂区101和第二导电类型的第五掺杂区105；第二感光结构120包括在半导体衬底100上形成的第二掺杂区102和第二导电类型的第六掺杂区106；且第五掺杂区105、第六掺杂区106的掺杂浓度高于第一掺杂区101和第二掺杂区102的掺杂浓度。

作为最佳实施例，第一半导体类型为N型，第二半导体类型为P型，第一感光结构110和第二感光结构120均为PN结感光二极管。同时，第一感光结构110的PN结阱容量大于第二感光结构120的PN结阱容量，而第二观光结构120的PN结感光面积大于第一感光结构110的PN结感光面积。

本具体实施方式中，如图1所示，开关晶体管130包括第一导电类型的第一掺杂区101和第二掺杂区102形成的两有源区，以及多晶硅栅极201，即：第一感光结构110和第二感光结构120的第一、第二掺杂区101、102分别作为开关晶体管的两有源区。

本具体实施方式中，如图1所示，比较器300具有两输入端，其第一输入端301连接参考电位V_ref，该参考电位V_ref为第二感光结构120曝光饱和时的电压值；第二输入端302则连接至第二感光结构120的第六掺杂区106，即：以第二感光结构120曝光过程中的工作电位V_PD作为第二输入端302的输入。比较器300将两输入端的输入电压进行比较，将输出信号通过输出端303连接至开关晶体管130的栅极。

当第二感光结构120的工作电位V_PD小于参考电位V_ref时，所述比较器300输出高电平，所述开关晶体管130导通。此时，第一感光结构110和第二感光结构120呈并联关系，当第二感光结构120在曝光过程中达到饱和状态时，过多的光生载流子即通过开关晶体管130转移至第一感光结构110，从而大大提高了该图像传感器中感光结构的阱容量。

当第二感光结构120的工作电位V_PD大于或等于参考电位V_ref时，所述比较器300输出低电平或无信号输出，所述开关晶体管130截止。此时，第一感光结构110与第二感光结构120断开，仅有第二感光结构120处于曝光工作状态。

本具体实施方式中，为了保证像素读出电路输出信号的高保真，在像素读出电路读出感光信号时，开光晶体管130的开关状态不发生改变，即：曝光过程中第二感光结构120或第一、第二感光结构110、120中产生的光生载流子全部作为感光信号读出。

作为优选实施例，该图像传感器的像素读出电路为4T型像素读出电路，包括转移晶体管、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管。4T型像素读出电路的工作原理及电路结构为本领域技术人员的公知常识，在此不作赘述。

需要指出的是，如图1所示，所述第二感光结构120的第二掺杂区102作为所述转移晶体管的一有源区，所述转移晶体管的另一有源区为浮动扩散区103，且浮动扩散区103的掺杂类型与第二掺杂区相同。在曝光过程中，转移晶体管的栅极202上连接低电平或无信号输入，转移晶体管关闭；而在像素读出过程中，转移晶体管的栅极202上加高电平，转移晶体管打开，曝光过程中产生的光生载流子通过转移晶体管转移至浮动扩散区103，并经由放大晶体管读出。

作为最佳实施例，浮动扩散区103的阱容量大于第二感光结构120的阱容量，为进一步提高该图像传感器的动态范围，浮动扩散区103还连接一并联电容C_FD，该并联电容C_FD一端接地GND，一端直接与浮动扩散区103、即转移晶体管作为输出的源极连接。

此外，比较器300还具有一定的信号放大作用，即输入的信号可以较低，而输出的信号有一定的强度。

此外，可以理解，为了使第一感光结构110的阱容量大于第二感光结构129的阱容量，可以通过控制离子注入的深度和浓度来实现，也可以通过设定掺杂区的大小来实现。

需要指出的是，本具体实施方式中，半导体衬底100为P型硅衬底，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型。此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，半导体衬底也可以为N型衬底，此时，作为本领域技术人员的公知常识，第一导电类型（N型）的各掺杂区，均制备在N型半导体衬底上的P型阱区内，在此不再赘述。

并且，在本具体实施方式中，第一掺杂区101和第二掺杂区102的掺杂浓度范围为1×10¹²cm^-2至5×10¹³cm^-2，第五掺杂105和第六掺杂区106的掺杂浓度范围为5×10¹³cm^-2至1×10¹⁴cm^-2。

另外，在本具体实施方式中，半导体衬底100的材料是单晶硅。可以理解，在本发明的其他某些实施方式中，半导体衬底100的材料还可以是锗、应变硅、锗硅、碳化硅以及各种可用于半导体器件制备的III-V族化合物半导体材料等。

根据上文可知，本具体实施方式提供了两个感光结构，其中第一感光结构110主要用于检测强光信号，因此阱容量较高，第二感光结构120主要用于检测弱光信号，因此阱容量较低。这一方面有助于第二感光结构120更灵敏地检测弱光信号，另一方面，当它的光生光生电压达到比较器300的参考电位V_ref时，开关晶体管栅极输入高电压使其导通时，为第一感光结构110将强光产生的光生载流子转移、并在信号读出过程中再次经由开关晶体管、第二感光结构120和转移晶体管转移至浮动扩散区103提供条件。

通过这种方式，图像传感器可以根据入射光的强弱，通过两个感光结构以及一个比较器，进行选择性的曝光及存储选择，从而达到提高动态范围的效果。

以上介绍了本具体实施方式的图像传感器结构，接下来简要说明其工作原理。

弱光环境下，在曝光过程中，当弱光入射到半导体衬底100时，第二感光结构120的PN结受到入射光的激发，产生光生载流子；在信号读出过程中，光生载流子经由转移晶体管转移至第三掺杂区103，即浮动扩散（FD）区。因为浮动扩散区103起到电容的作用，因此光生载流子进入该浮动扩散区后，产生电压信号，该电压信号被导出到外部图像处理电路（图中未示）。

而强光环境下，在曝光过程中，强光入射到半导体衬底100，若第二感光结构120的PN结产生的光生载流子的势垒达到与之相连的比较器300预先设置的参考电位时，比较器300向开关晶体管130的栅极201输出高电压，使开关晶体管130导通。此时，第一感光结构110与第二观光结构连通，第一感光结构110同样因强光入射而产生光生载流子；在信号读出过程中，开关晶体管130保持导通状态，第一感光结构110在曝光过程中产生的光生载流子经由开关晶体管130、第二感光结构120、转移晶体管转移，同第二感光结构120在曝光过程中产生的光生载流子一起转移至浮动扩散区103，进而被导出到外部图像处理电路（图中未示）。

综上所述，在本具体实施方式提供的图像传感器中，由于有两个阱容量不同的感光结构，即第一感光结构110和第二感光结构120进行互补，并且通过比较器300和开关晶体管栅极201，实现了当强光照射到第二感光结构120时所产生的光生载流子转移，在这种情况下，能够根据入射光的强度进行更灵活地调节，提高图像传感器在有较强的光入射时存储光生载流子的能力，由此提高了图像传感器的动态范围的上限，提高了该图像传感器的动态范围。

与此同时，由于本实施方式中的第二感光结构120专用于检测弱光，因此可以通过第二感光结构120中第二掺杂区102和第六掺杂区106的面积、阱容量等参数，确保其在较弱的光入射时产生及存储光生载流子的能力，由此扩展了图像传感器的动态范围的下限，实现对图像传感器动态范围的全面提高。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种图像传感器，置于半导体衬底表面，其特征在于，所述图像传感器至少包括：第一感光结构、第二感光结构、开关晶体管、比较器、像素读出电路，其中：

所述开关晶体管连接于所述第一感光结构和第二感光结构之间，用于控制所述第一感光结构和第二感光结构的连接状态；

所述比较器的两输入端分别连接参考电位和第二感光结构，输出端连接所述开关晶体管栅极；

所述像素读出电路与第二感光结构连接，读出感光信号。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一感光结构、第二感光结构均为PN结感光晶体管，且第一感光结构、第二感光结构的N型掺杂区分别作为开关晶体管的两有源区。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一感光结构的阱容量大于所述第二感光结构的阱容量。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述第二感光结构的感光面积大于所述第一感光结构的感光面积。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述参考电位为第二感光结构曝光饱和时的电压值。

6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第二感光结构的电位小于参考电位时，所述比较器输出高电平，所述开关晶体管导通；所述第二感光结构的电位大于或等于参考电位时，所述比较器输出低电平或无信号输出，所述开关晶体管截止。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述像素读出电路读出感光信号时，所述开关晶体管的开关状态不发生改变。

8.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述像素读出电路为4T型像素读出电路，包括转移晶体管、放大器晶体管、复位晶体管和选择晶体管。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述第二感光结构的N掺杂区作为所述转移晶体管的一有源区，所述转移晶体管的另一有源区为浮动扩散区。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述浮动扩散区连接有并联电容。