CN103996688B - 图像传感器及其像素及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器及其像素及其工作方法，包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，光电二极管区域或边缘设置有晶体管电容，晶体管电容的沟道与光电二极管连接为一体，晶体管电容的沟道为所述光电二级管电荷收集区的一部分。有效提高了小面积像素，特别是背照式小面积像素的信号饱和阱容量，也可适用于对信号阱容量要求特别高的图像传感器。

Description

图像传感器及其像素及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器像素，尤其涉及一种图像传感器及其像素及其工作方法。

背景技术

图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。

在现有技术中，随着市场的需求和半导体制作工艺精度尺寸不断缩小的进步，图像传感器的分辨率不断增加，而像素单元面积在不断减小，例如市场上已经出现了1.4um，1.1um，甚至0.9um的像素的图像传感器，但是图像传感器的像素面积越小饱和阱容量就会越低，从而影响了动态范围，使得使用小面积像素的图像传感器采集的图像效果不尽人意。例如，1.1um像素的信号饱和阱容量范围一般为2500e-～3500e-，优秀的像素噪声为5e-，则动态范围最高仅为56.9dB。

如图1所示，为现有技术中像素采用N型光电二极管的切面示意图，包含光电二极管N区101、光电二极管P型Pin层102、电荷传输晶体管103、电荷传输晶体管103的漏极端104和栅极端TX、半导体基体105；

图1所示像素的势阱示意图如图2所示，图2中，201为光电二极管的势阱，202为电荷传输晶体管并处于关闭状态，Cpd为201的电容，Vpin为201的完全耗尽电势，即最高电势。现有技术中的图像传感器像素的饱和阱容量为Vpin与Cpd的乘积，因电源电压一般为2.8V或3.3V，所以Vpin的范围为0.7～1.0V；对于小面积像素来说，Cpd一般也不会高于1fF。因此，小面积像素的Vpin和Cpd值限制了像素的饱和阱容量。

随着图像传感器技术的快速发展，在追求低廉成本产品的同时，图像传感器采集图像的质量也必须得到关注，因此提高小面积像素饱和阱容量至关重要。再者，在某些特定应用场合，需要把像素信号阱容量做到很高，比如1Mega e-。但现有技术中即使不记成本地扩大像素面积，但受到像素正常工作的属性限制，像素的信号饱和阱容量也很难制作高至1Mega e-。

发明内容

本发明的目的是提供一种饱和阱容量高的图像传感器及其像素及其工作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，所述光电二极管区域或边缘设置有晶体管电容。

本发明的图像传感器，该图像传感器包含有上述的图像传感器像素。

本发明的上述的图像传感器像素的工作方法，所述晶体管电容在像素曝光前处于关闭状态，工作在截至区；所述晶体管电容在像素曝光开始后置为开启状态，工作在饱和区。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的图像传感器及其像素及其工作方法，由于在光电二极管区域或边缘设置有晶体管电容，有效提高了小面积像素，特别是背照式小面积像素的信号饱和阱容量；同时，本发明方法也可适用于对信号阱容量要求特别高的图像传感器，例如1Mega e-的阱容量，以便符合图像传感器应用在特定场合的需求。

附图说明

图1是现有技术中的图像传感器像素切面示意图。

图2是现有技术中的图像传感器像素势阱示意图。

图3是本发明实施例中的图像传感器像素切面示意图。

图4是本发明实施例中的图像传感器像素工作时的时序控制示意图。

图5是本发明实施例中的图像传感器像素在进行复位操作时的势阱示意图。

图6是本发明实施例中的图像传感器像素在曝光周期前期时的势阱示意图。

图7是本发明实施例中的图像传感器像素在曝光周期中期时的势阱示意图。

图8是本发明实施例中的图像传感器像素在曝光周期后期时的势阱示意图。

图9是本发明实施例中的图像传感器像素在进行光电电荷转移操作时前期的势阱示意图。

图10是本发明实施例中的图像传感器像素在进行光电电荷转移操作时后期的势阱示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的图像传感器像素，其较佳的具体实施方式是：

包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，所述光电二极管区域或边缘设置有晶体管电容。

所述光电二极管设有Pin层保护层，所述晶体管电容的沟道与所述光电二极管连接为一体。

所述晶体管电容的沟道为所述光电二级管电荷收集区的一部分。

所述光电二极管为N型光电二极管或P型光电二极管。

本发明的图像传感器，其较佳的具体实施方式是：

该图像传感器包括上述的图像传感器像素。

该图像传感器为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

该图像传感器为前照式图像传感器或背照式图像传感器。

本发明的上述的图像传感器像素的工作方法，其较佳的具体实施方式是：

所述晶体管电容在像素曝光前处于关闭状态，工作在截至区；

所述晶体管电容在像素曝光开始后置为开启状态，工作在饱和区。

所述晶体管电容在光电电荷转移期间从开启状态置为关闭状态，即从工作在饱和区置为截至区。

本发明的像素结构及相应工作方法，有效提高了小面积像素，特别是背照式小面积像素的信号饱和阱容量；同时，本发明方法也可适用于对信号阱容量要求特别高的图像传感器，例如1a e-的阱容量，以便符合图像传感器应用在特定场合的需求。

本发明像素结构中的晶体管电容，在像素曝光期间，电势摆幅高于光电二极管电势摆幅，晶体管电容的沟道电势最高可达到电源电势，所以晶体管电容可储存更多的光电电荷。因此，本发明的方法有效提高了图像传感器像素的饱和阱容量，拓展了图像传感器的动态范围。

本发明为了提高像素信号饱和阱容量，在图像传感器现有技术的基础上，在光电二极管区域或边缘添加了晶体管电容，在合适的时序控制下，此晶体管电容摆幅可高达电源电压大小。在半导体制造工艺中，3.3V电源工艺的晶体管电容值为5fF/um^2左右，若晶体管电容面积为0.5umX0.5um，则电容值可达到1.25fF,那么阱容量最高为25749e-。由此可见，本发明的方法提高的像素信号饱和阱容量相当可观。

实施例一：

如图3所示，301为光电二极管N型区，302为光电二极管P型Pin层保护层，303为电荷传输晶体管，304为303的漏极端，305为半导体基体P型外延层，306为晶体管电容；其中，Vcap为306的栅极端，TX为303的栅极端，STI为浅槽隔离区。

如图3所示，本发明的晶体管电容306制作在光电二极管区域内，并且306的器件沟道不制作P型Pin层保护层。306的器件沟道与301相连，也可以看作是301的一部分。图3所示，光电二极管的势阱总电容为光电二极管体电容与306的晶体管电容之和；Vcap的工作范围为-0.5～Vdd，Vdd为电源电压，则306晶体管电容的电势摆幅约为Vdd。

实施例二：

为了进一步清楚地阐述本发明特征，图4至图10详细表征了本发明图像传感器像素的时序控制方法和工作原理。

图4示出了本发明像素的Vcap和TX时序控制示意图，t1～t6标记了时序控制下的像素工作的6个时刻。时序控制叙述如下：

a.像素开始曝光前进行复位操作，Vcap处于GND电位，将TX做一高电位脉冲动作，清除光电二极管势阱内的电荷，从TX下降沿开始，像素开始曝光。

b.像素开始曝光后，TX处于GND电位，将Vcap从GND电位置为Vdd电源电位,使晶体管电容生效。

c.像素曝光结束前，进行光电电荷转移操作,将TX从GND电位置为Vdd电位，在光电电荷转移期间，将Vcap从Vdd电位置为GND电位，光电电荷转移完毕后，将TX置为GND电位，关闭电荷传输晶体管。

图5示出了图4时序操作在t1时刻时，本发明的像素势阱示意图；其中，501为光电二极管势阱，502为电荷传输晶体管并处开启状态，其点划线表示关闭状态，503为电荷传输晶体管的漏极端势阱，504为晶体管电容并处于关闭状态，Vpin为501的完全耗尽电势，Cpd为501区的电容，Vcap为504栅极端，TX为502栅极端；图5所示为光电二极管复位操作，501区的电荷被清除。

图6示出了图4时序操作在t2时刻时，本发明的像素势阱示意图；504处于开启状态，502处于关闭状态，601为504的电容势阱区，其中Ccap表征504的电容值。图6所示，光电二极管区接受了光子，产生电子信号，电子在电场的作用下，移动到601区；因此，601区收集到了电荷，其最高电势会上升，上升到的电势标记为V1，V1大于Vpin，但601区的t2时刻的电势仍为Vpin。

图7示出了图4时序操作在t3时刻时，本发明的像素势阱示意图；t3时刻，601区的最高电势上升到了V2，光电二极管产生的光电电荷仍然只在601区收集。

图8示出了图4时序操作在t4时刻时，本发明的像素势阱示意图；t4时刻为像素曝光周期后期时刻，601区的最高电势已经上升到最高电势Vmax，Vmax可以等于Vdd；图7所示，601区和501区同时收集光电电荷，此时601和501区的电势低于Vpin。

图9示出了图4时序操作在t5时刻时，本发明的像素势阱示意图；t5时刻，502处于开启状态，进行光电电荷转移操作，此时，转移的仅是601和501区中低于Vpin电势部分的电荷。

图10示出了图4时序操作在t6时刻时，本发明的像素势阱示意图；t6时刻，504处于关闭状态，进行光电电荷转移操作；504关闭前的601区高于Vpin电势部分的电荷，在504关闭时，会被驱赶到501区；因此，此时转移的是601区高于Vpin电势部分的光电电荷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管以及电荷传输晶体管，其特征在于，所述光电二极管区域或边缘设置有晶体管电容；

所述光电二极管设有Pin层保护层，所述晶体管电容的沟道与所述光电二极管连接为一体；

所述晶体管电容的沟道为所述光电二极管电荷收集区的一部分；

所述光电二极管为N型光电二极管或P型光电二极管。

2.一种图像传感器，其特征在于，该图像传感器包括权利要求1所述的图像传感器像素。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器为前照式图像传感器或背照式图像传感器。

5.一种权利要求1所述的图像传感器像素的工作方法，其特征在于：

所述晶体管电容在像素曝光前处于关闭状态，工作在截至区；

所述晶体管电容在像素曝光开始后置为开启状态，工作在饱和区。

6.根据权利要求5所述的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述晶体管电容在光电电荷转移期间从开启状态置为关闭状态，即从工作在饱和区置为截至区。