CN104885223A - Cmos有源像素结构 - Google Patents

Cmos有源像素结构 Download PDF

Info

Publication number
CN104885223A
CN104885223A CN201380068148.2A CN201380068148A CN104885223A CN 104885223 A CN104885223 A CN 104885223A CN 201380068148 A CN201380068148 A CN 201380068148A CN 104885223 A CN104885223 A CN 104885223A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photodiode
region
voltage
substrate
photovoltaic
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.)
Granted
Application number
CN201380068148.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104885223B (zh
Inventor
Y·倪
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.)
New Imaging Technologies SAS
Original Assignee
New Imaging Technologies SAS
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 New Imaging Technologies SAS filed Critical New Imaging Technologies SAS
Publication of CN104885223A publication Critical patent/CN104885223A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104885223B publication Critical patent/CN104885223B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • 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
    • H04N25/767—Horizontal readout lines, multiplexers or registers
    • 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
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
    • 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
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • 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
    • H01L27/14636—Interconnect 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
    • H01L27/14641—Electronic components shared by two or more pixel-elements, e.g. one amplifier shared by two pixel 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
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H04N25/621—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming
    • H04N25/622—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming by controlling anti-blooming drains
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H04N25/621—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming
    • H04N25/623—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming by evacuation via the output or reset lines
    • 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

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)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

本发明涉及一种CMOS有源像素结构，包括：第一类型的半导电衬底(1)；至少一个以光伏模式操作的第一光电二极管，其包括由第二类型的掺杂区域所限定的光伏转换区域(2)，该第二类型掺杂区域与衬底形成PN结，所述第一光电二极管将在所述第一光电二极管对光曝光期间由PN结收集的光电荷载子重新发射；至少一个以积分模式操作并且反向偏置的第二光电二极管，所述第二光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的电荷积累区域(3)，该第二类型掺杂区域与衬底形成PN结，所述电荷积累区域暴露于来自光伏转换区域(2)的电荷载子，以便于积累这种电荷载子。

Description

CMOS有源像素结构
技术领域
本发明涉及CMOS类型(互补金属氧化物半导体)有源像素的领域，CMOS类型有源像素使用一类具有低电耗的电子元件。具体地，本发明涉及CMOS像素结构和包含该CMOS像素结构的图像传感器阵列。
CMOS集成技术使得能够制造芯片以用于具有好的分辨率和合理的图像质量的单片相机(caméras monolithiques)。这些技术的使用也使得能够获得具有低能耗的传感器。由于CMOS晶体管的快速开关，所以这种传感器还提供快速的读取速度。另外，这些技术提供了将调节、处理、编码和通信功能集成的可能性。
背景技术
在常规的像素中，在光电二极管中产生的电子空穴对整合在电容器中，所述电容器提供电压信号或者电荷信号。
由于施加至电容的电压在像素中总是受到限制的，所以该电容器的值确定其能够接收而不饱和的最大电荷量。越大的值提供越大的积分电容，因此提供更宽的动态操作范围。然而，高的积分电容器的值对同样数量的积分电荷提供更低的电压，因此提供更低的灵敏性。在很多情况下，该积分电容仅只是光电二极管的结电容。
该配置的典型示例即如图1所示的具有三个晶体管的被称作APS的CMOS有源像素传感器。所述像素包括：
-P型半导体衬底1；
-光电转换区域，其由N型掺杂区域NPD限定，该N型掺杂区域与衬底形成PN结，并且在暴露于光期间积累一些电荷，由光电转换区域形成的PN结和衬底形成了光电二极管的阴极和阳极；
-在衬底1的表面上二氧化硅绝缘层；
-读出电路，其读取由电荷积累引起的电压的变化，所述读出电路包括：
-复位晶体管T1，其由在其栅极的复位信号RST控制以将光电二极管的电压复位至预充电，所述复位晶体管T1具有一个电极连接至光电转换区域NPD，并且具有另一电极连接至电源VDD；
-读出晶体管T2，其栅极连接至光电转换区域NPD，同时其电极中的一个连接至电源电压VDD；
-选择晶体管T3，其由适用于其栅极的选择信号SEL控制，选择晶体管T3的电极中的一个与读出晶体管T2的另一电极是共用的，而选择晶体管T3的另一电极连接至读出总线COL。
因此在复位晶体管T1的预充电动作之后，光电荷在光电二极管的结电容上自积分，并且随后通过选择晶体管T3的开关进行读取。在图2中示出了读出顺序，图2提供了图1所示的3晶体管CMOS有源像素的典型操作时序图。
在该时序图中，以下内容将根据时间以不定值示意性地显示：复位信号RST的变化21、选择信号SEL的变化22、在光电转换位置(即，光电二极管)的电压VPD的变化23，以及在读出线COL上的电压VCOL的变化24。
在时刻t1，在成像之前，借助于信号RST开启复位晶体管T1，光电二极管复位或者以初始电压预充电。在时刻t2，复位晶体管T1关闭并且初始读出能够确定所述初始电压，以用于在读出电路中电压跟随器的补偿的后续消除。在时刻t3，选择晶体管T3通过选择信号SEL而关闭，以使光电二极管在曝光期间在光照下操作。光电荷的积累然后导致电压在光电二极管上的下降(VPD)。电压的这种变化通过晶体管T2以电压跟随器模式读取。最终在时刻t4，通过选择信号SEL，在曝光结束时发生了最终读出，以收集代表光照的电压。最终读出信号是在最终读出和初始读出之间的差。
能够确定的是，除了光电二极管的电容之外增加的电容使得饱和电平限制增加但是也使像素的灵敏性大为降低。因此，动态范围并没有很大改进。更为有益的是降低积分电容以获得良好的灵敏性。饱和电平限制能够通过曝光时间、透镜孔径等而进行控制。
积分电容的降低受到光电二极管的本征结构的限制。正是光电二极管经由其光电转换区域而收集光子，并且因此不可能减小光电二极管的表面积而不损失光子收集效率，并且因此不可能不损失灵敏性。专利US 6 531 725、US 6 051 447和US 5 903 021提出了旨在降低这种像素的光电二极管的结电容的解决方案。这些解决方案使用这样的光电二极管的PN结：其N型光电转换区域通过反向偏置而部分耗尽。
然而低的光电二极管结电容引起了关于光电二极管的复位的噪声问题，即开关噪声KTC。该复位噪声KTC扰乱了对初始电压的正确读取，并且除了例如通过设置复杂的存储系统外，不能容易地进行补偿。
为了改进灵敏性并且降低噪声，已提出电荷转移CMOS有源像素结构。如图3所示，在光电二极管和读出晶体管T2之间，将转移晶体管TX增加至三晶体管有源像素。该转移晶体管称作“传输门”，其使积累在NPD区域中的光电荷向着由非常小尺寸的PN结形成的浮动扩散节点FD转移。该浮动扩散节点FD通常具有低的电容值，因此电荷电压转换增益强烈地增加。通过该电荷转移，转换增益不再与光电二极管NPD的结电容相关。被称为四晶体管结构的所述结构使得像素的灵敏性增加，并且例如允许设想需要高灵敏性(例如夜间视力)的应用。
如图3所示的电荷转移四晶体管像素具有另一个优点，其进一步改进了像素的灵敏性。光电二极管的复位晶体管T1在其关断时将电荷复位噪声KTC注入至光电二极管中。被称为KTC的该噪声与KTC乘积的平方根成比例，其中K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度而C是电容值。在例如图1中的三晶体管像素中，由于噪声是在曝光开始时产生的，而图像信号是在曝光结束时读取的，所以很难对该复位噪声KTC进行补偿。这解释了由三晶体管像素形成的图像传感器的低灵敏性。
在四晶体管像素中，情形则非常不同。就在电荷转移之前，图像信号的读取在浮动扩散节点FD的复位之前进行。使用差分操作以消除该KTC噪声。
图4提供了四晶体管有源像素的时序图。在该时序图中，以不定值并且根据时间示意性地示出了：复位信号RST的变化41，施加至转移晶体管TX的栅极的信号的变化42，选择信号SEL的变化43，在浮动扩散节点FD的电压VFD的变化44和在读出线COL上的电压VCOL的变化45。
在时刻t1，在成像之前，使用信号RST开启复位晶体管T1而以初始电压复位浮动扩散节点FD，并且通过选择信号SEL而将选择晶体管T3接通。
在时刻t2，通过信号RST来关闭复位晶体管T1，并且初始读出能够确定所述初始电压。在时刻t3，转移晶体管TX接通以将电荷从光电转换区域NPD朝向浮动扩散节点FD转移。在时刻t4，转移晶体管TX关闭，同时在读出线上进行第二读出。在时刻t5，选择晶体管T3关闭。
输出信号是在初始读出和第二读出之间的差，并且输出信号是通过由在光电转换区域NPD中积累的光电荷(其转移至浮动扩散节点FD)所引起的电压的变化而形成的。因此浮动节点FD的复位噪声通过差分读出电路而自然得到补偿。
因此，由浮动扩散节点FD的电容引入的KTC噪声的影响能够有效地通过差分读出而消除，但是由光电二极管的结电容引入的噪声则不会消除。
发明“针扎光电二极管(pinned photodiode)”(PPD)能够克服该困难。如图3所示，针扎光电二极管是由光电转换区域(典型地为N型扩散)与衬底1共同形成PN结，并形成光电二极管而形成，该针扎光电二极管夹在典型地为P型的衬底1和掺杂区域5(也被称作钝化区)，掺杂区域5源于通常在非常浅深度的与衬底相同类型的(典型为P型)大剂量的表面扩散，掺杂区域5使光电转换区域NPD与衬底1的表面绝缘。当向光电二极管偏置足够高的电压时，光电转换区域NPD中可移动电荷完全耗尽。光电转换区域NPD的空间电荷吸引并且积累在曝光期间由光子产生的光电子。
在曝光结束时，转移晶体管TX将这些在光电转换区域NPD中积累的光电子转移至浮动扩散节点FD，在浮动扩散节点FD处这些光电子转换成电压。如果该转移是完全的，则光电二极管PPD再次变为没有可移动电荷。在这种情况下，没有复位噪声KTC产生。
不仅是为了消除复位噪声KTC，而且也是为了防止可能的成像滞后，光电子的完全转移具有非常高的重要性。例如以FR 1251387号在法国提交的专利申请提出一种使用简单的CMOS工艺而使得转移晶体管TX良好运作的结构。
四晶体管像素的一个优点为读出部分能够容易地由数个PPD光电二极管共享。图5显示了这种共享的原理。两个PPD光电二极管布置在浮动扩散节点FD的两侧，所述PPD光电二极管中的每个能够通过转移晶体管TX1、TX2而连接至浮动扩散节点FD。专利US 7964929和US 7989749提供了关于该主题的更多细节。通过这种可能的读出放大的共享，当前能够制造经常在移动电话的相机中使用的非常小尺寸的像素。
电荷转移的这些不同配置有助于改进像素的灵敏性限制，同时减小像素的尺寸。然而，动态操作范围一点都没有改进，并且有时甚至会变得更差。这是因为，浮动扩散节点FD的低电容值限制了积累电容。例如豪威科技(OmniVisionTechnology)的包含尺寸为6μm x 6μm的四晶体管像素的CMOS OV7955传感器，其提供了卓越的灵敏性(12V/lux*s)，但是在只有6000光电子时即饱和。
为了扩展动态操作范围并且延迟饱和，使用多重曝光的方法已经使用在一定数量的商用产品中。这些产品需要使用数个成像参数捕获场景，然后将这些曝光结合以获得具有更宽的动态范围的图像。这些方法需要复杂的图像处理。而且在变化的和/或复杂的环境中实时寻找最优成像参数通常也是困难的。
文献EP 1 354 360 A1、WO 2009/027449 A1和WO 2010/103464 A1提出一种像素设计，其中，光电二极管以光伏模式操作，类似于太阳能电池，与凭借光电二极管操作为光控电流源的常规设计相反。图6显示了在专利EP 1 354 360中描述的具有以光伏模式的光电二极管的像素的结构。其显示了与常规三晶体管像素的相似性，但是具有两点本质区别：光伏转换区域在复位动作期间是短路的，并且光电二极管的结通过由入射光子产生的电子空穴对而自发地直接(directe)偏置。图像信号通过在光伏电压和在复位期间的零电压之间的差分读出而获得。
在这种操作模式中，在开路光电二极管的端部的电压作为信号进行测量。根据肖特基定律，该电压是通过对数关系而与光强度的相关的。该对数关系压缩了信号的发展并且提供了更宽的动态操作范围。尽管该光伏运作具有许多优点，但其也具有一定数量的缺陷，特别是关于灵敏性，而这些缺陷正是本发明提出要克服的。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种像素结构，其结合宽的动态操作范围和良好的灵敏性，同时保持简单、紧凑的设计。
更具体地，本发明提供一种CMOS类型的有源像素结构，包括：
-第一类型的半导体衬底；
-至少一个第一光电二极管，其配置为在所述第一光电二极管对辐照的曝光期间以光伏模式操作，所述第一光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的光伏转换区域，该第二类型的掺杂区域与衬底形成PN结，所述第一光电二极管配置为将在所述第一光电二极管向辐照曝光期间由PN结捕获的光电荷载子重新发射；
-至少一个第二光电二极管，其配置为以积分模式操作，并且在所述第一光电二极管对辐照曝光期间反向偏置，所述第二光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的电荷积累区域，该第二类型的掺杂区域与衬底形成PN结，所述电荷积累区域配置为暴露于源自光伏转换区域的电荷载子，以便积累该电荷载子；以及
-读出装置，其读取第一光电二极管的电压并且读取在第二光电二极管的电荷测量。
在本说明书中，术语第一类型和第二类型涉及半导体类型，即P型和N型。第一类型和第二类型是不同的。典型地，第一类型对应于P型，同时第二类型对应于N型。可选地，可以使第一类型对应于N型，于是同时第二类型对应于P型。
第二光电二极管暴露于源自第一光电二极管的光伏转换区域的电荷载子，使得其能够积累所述电荷载子，否则所述电荷载子将扩散进入衬底。电荷载子的重获允许在像素灵敏性方面的显著提升并且不会使由以光伏模式的第一光电二极管产生的宽的动态范围有所折衷。
本发明有利地通过单独地采用下述特征或者采用下述特征的任何技术上可行的组合而完成：
-光伏转换区域和电荷积累区域通过衬底的一部分而分隔，由第一光电二极管重新发射的电荷载子通过衬底的该部分而在积累区域进行收集和积累，使得第一光电二极管的PN结的耗尽区和第二光电二极管的PN结的耗尽区相分隔并且不互相接触；
-衬底具有限定了电荷载子的容纳区域的空间调制掺杂，所述容纳区域将第一光电二极管和第二光电二极管组合在一起以容纳电荷载子，从而提升电荷积累区域对来自光伏转换区域的电荷载子的收集效率；
-光伏转换区域和电荷积累区域之间的距离是在0.1μm和100μm之间；
-第一光电二极管(多个第一光电二极管)和第二光电二极管(多个第二光电二极管)插入在衬底中，使得光伏转换区域位在邻接于至少一个第二光电二极管的电荷积累区域；
-光伏转换区域和电荷积累区域是至少部分叠覆的；
-电荷积累区域具有空间扩展，所述空间扩展覆盖至少所述光伏转换区域的范围；
-第二光电二极管包括钝化层，所述钝化层具有与衬底相同类型的掺杂，并且将电荷积累区域与衬底的表面相分隔；
-复位晶体管RSTLOG适合于将布置在衬底中的复位区域连接至光伏转换区域；
-复位区域由衬底接触形成，衬底接触由在衬底中的第一类型的重掺杂区域形成；
-复位区域由利用可变电压Vx偏置的第二类型重掺区域形成，以将所述可变电压Vx传播远至与积累区域相关联的浮动扩散节点。
优选地，第一光电二极管和第二光电二极管的读出装置包括读出电路，所述读出电路为第一光电二极管和第二光电二极管所共用，在像素水平处，所述读出电路连接至共用总线COL以读取第一光电二极管的电压和在第二光电二级管处的电荷测量。因此结构为电荷转移结构，并且在一个实施方案中包括与电荷积累区域相关联的浮动扩散节点，而共用读出电路包括：
-电荷转移结构，其适合于读取与第二光电二极管相关联的浮动扩散节点的电压；
-电压偏置电路，其经由与第二光电二极管相关联的电荷转移结构的复位晶体管而将第一光电二极管连接至浮动扩散节点。
然后电压偏置电路可以包括负阈值电压晶体管，所述负阈值电压晶体管的栅极连接至光伏转换区域。在另一个可能实施方案中，所述结构包括与电荷积累区域相关联的浮动扩散节点，共用读出电路包括电荷转移结构，该电荷转移结构适合于读取与第二光电二极管相关联的浮动扩散节点的电压，并且光伏转换区域通过电容器连接至浮动扩散节点。
本发明还涉及一种传感器，其包括：
-多个根据本发明的像素结构；以及
-至少一个读出电路，其将第一光电二极管的电压的读出和在第二光电二极管处的电荷测量的读出结合。
本发明还涉及一种具有根据本发明的结构的CMOS类型的有源像素的操作过程，其中：
-第一光电二极管以光伏模式操作并且将在所述第一光电二极管对辐照曝光期间由PN结捕获的光伏电荷载子重新发射；
-第二光电二极管反向偏置并且以积分模式操作，所述电荷积累区域暴露于源自光伏转换区域的电荷载子，以便积累所述电荷载子；
-第一光电二极管的电压和在第二光电二极管处的电荷测量通过读出装置进行读取。
附图说明
通过以下给出的仅出于说明的目的并且是非限制性的描述，本发明的其它特点和优点将会变得更加明显。这些描述应联系附图而进行阅读，其中：
-图1已在上文进行评论，其是示出现有技术的三晶体管有源像素的结构的示意图；
-图2已在上文进行评论，其是示出在图1中的像素运作期间信号发生的时序图；
-图3已在上文进行评论，其是示出现有技术的四晶体管有源像素的结构的示意图；
-图4已在上文进行评论，其是示出在图3中的像素运作期间信号发生的时序图；
-图5已在上文进行评论，其是示出类似于图3中的结构的两个像素共享读出电路的示意图；
-图6已在上文进行评论，其是示出以光伏模式操作的现有技术的四晶体管有源像素的结构示意图；
-图7是示出根据本发明的像素结构的一个可能实施方案的横截面图；
-图8是示意性地示出分别以光伏模式和积分模式的光电二极管根据其所经受的光强度的响应的示图；
-图9是示出根据本发明的像素结构的一个可能实施方案的横截面图，其中曝光经由衬底的背表面而进行；
-图10是示出根据注入能量的不同掺杂种类的注入深度的示图；
-图11和图12在右侧给出像素阵列的顶视图，并且在左侧给出根据本发明的一个可能实施方案的像素的放大视图；
-图13示出对于三晶体管像素执行的防模糊作用的原理；
-图14和图15分别地给出根据本发明的一个可能实施方案的像素结构的区域布置的接线图和横截面图，其中两个光电二极管通过共用电路读取；
-图16是示出在图14和图15中的结构的运作的时序图；
-图17和图18分别地给出根据具有变形的本发明的一个可能实施方案的像素结构的区域布置的接线图和横截面图，其中将电压施加至光伏转换区域而不是将区域短路，以将光伏转换区域复位；
-图19是示出在图17和图18中的结构的运作的时序图；
-图20是根据本发明的一个可能实施方案的像素结构的接线图，其中共用读出电路包括电容器；
-图21是示出在图20中的结构的运作的时序图；
-图22和图23是本发明的可能实施方案的横截面图，其中在四晶体管结构中使用了防模糊功能。
具体实施方式
参考图7，根据本发明的一个可能实施方案的CMOS类型的有源像素结构包括：
-第一类型的半导体衬底1；
-至少一个第一光电二极管，其以光伏模式操作，所述第一光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的光伏转换区域2，该第二类型掺杂区域与衬底形成PN结，所述第一光电二极管将在其对辐照曝光期间由PN结捕获的光电荷载子重新发射；
-至少一个第二光电二极管，其以积分模式操作并且反向偏置，所述第二光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的电荷积累区域3，该第二类型掺杂区域与衬底形成PN结，所述电荷积累区域暴露于源自光伏转换区域2的电荷载子，以便收集和积累所述电荷载子。
本发明的像素的结构将以光伏模式的光电二极管、以积分模式的光电二极管以及在以光伏模式的光电二极管和以积分模式的光电二极管之间耦合的电荷组合在一起。
图8显示了光电二极管分别以光伏模式和积分模式根据其所经受的光强度的响应。具有实线81的曲线示出光电二极管在长曝光期间以积分模式的响应，同时虚线曲线82示出该光电二极管在短曝光期间的响应。能够看出，以积分模式的光电二极管迅速地显示出饱和，这阻止了对过强的光强度的感测。
虚线曲线83示出光电二极管以光伏模式的电压响应，即自直接偏置。能够看出，采用对数型的电压响应允许感测更强的光强度。
因此，以积分模式的光电二极管和以光伏模式的光电二极管是高度互补的：以光伏模式的光电二极管提供非常宽的动态操作范围，但是提供更低的对光的灵敏性，同时以积分模式的光电二极管具有卓越的灵敏性，特别是对于针扎光电二极管四晶体管像素来说，但是具有非常窄的动态范围。这些光电二极管的结合因此允许在灵敏性方面以及在动态范围方面都获得高性能的像素。
在曝光之前以非零反向偏压预充电的光电二极管能够产生将从积分模式改变为光伏模式的响应。事实上，当在像素中的放大器允许光电二极管的阴极上的负压的读出时，在传统CMOS传感器中可以存在并看到以光伏模式的光电二极管的操作。
然而，由于以积分模式的光电二极管将收集由邻近光电二极管(即，以光伏模式的)释放的电荷，并且在这种情况下，由以光伏模式的光电二极管释放的电荷将使仍然反向偏置(即，以积分模式的)的光电二极管失效，并且将会导致图像不可用，所以在现有技术的阵列配置中通常不推荐这种配置。结果将是不可接受的在光电二极管之间的串扰。这就是在“Y.Ni,K.Matou,“A CMOS Log ImageSensor with on–chip FPN Compensation”，欧洲固态电路会议'01，18–20，2001年9月，菲拉赫，奥地利，128–132页”中公布的以及在专利EP 1354360中描述的研究工作之前，对具有以光伏模式的光电二极管的像素的研究的不足的原因。
在本发明中，没有回避该效果而是对该效果进行了探索，并且该像素结构适合于由以积分模式的光电二极管产生这种对由以光伏模式的光电二极管重新发射的电荷载子的收集效果。
该像素因此产生两个图像信号：一个信号是对数的，由以光伏模式的光电二极管产生(Slog)，另一个信号是线性的，由以积分模式的光电二极管产生(Sint)。在具有这种图像传感器的摄像系统中，这两个成像信号能够以不同方式用于具有这种像素的图像传感器。例如，当在场景中存在强的光动态时能够使用信号Slog，而当场景很暗时能够使用信号Sint。也能够使用固定的或者自适应的数学公式将这两个信号结合而提供单一图像。如果处理能力允许的话，也能够关于局部设置执行这两个图像之间的局部结合。
在以光伏模式操作的光电二极管和以积分模式操作的光电二级管之间的一定程度地接近，使得以积分模式操作的光电二极管能够对由以光伏模式操作的光电二极管发射的光电荷进行良好的收集地并且因此进行更好的积累。
然而，为了不妨碍他们各自的功能，光伏转换区域2和电荷积累区域3通过衬底的一部分而分隔，由第一光电二极管重新发射的电荷载子通过衬底的该部分以便于在积累区域进行收集和积累，使得以光伏模式操作的第一光电二极管的PN结的耗尽区和第二光电二极管的PN结的耗尽区分隔开并且不互相接触。
因此，在第一光电二极管的光伏转换区域2和第二光电二极管的电荷积累区域3之间的距离在0.1μm和100μm之间，并且优选地在0.1μm和30μm之间。
在图7所示的实施方案中，光伏转换区域2和电荷积累区域3重叠，使得光伏转换区域2位在衬底1的表面上，同时电荷积累区域主要位于衬底3的核心中。在该实施方案中，电荷积累区域3具有空间扩展，所述空间扩展至少部分地覆盖所述光伏转换区域2的范围。优选为，覆盖是完全的，并且甚至超过所述光伏转换区域2的范围，因此，部分光线能够经由直接通路到达电荷积累区域3而不必穿过光伏转换区域2(如图7中的情况所示)。
然而该重叠可以只是部分重叠。尤其是在实施方案中这样的情况：其中如图9所示，光照经由衬底1的后表面10进行。在这种情况下，光伏转换区域2主要位于衬底1中，同时电荷积累区域3在衬底1的表面上，尽管电荷积累区域3通过掺杂区域5(也称作钝化区域)而与表面绝缘，掺杂区域5通常源自在很浅深度的与衬底相同类型(例如P+，如果衬底为P型的话)的大剂量的表面扩散，并且其使电荷区域3与衬底1的表面绝缘。同样在这种情况下，由于重叠的非局部性质，所以一些光线经由直接通路到达电荷积累区域3，而不穿过光伏转换区域2。图9中的实施方案另外地复制了如图7所示的相同元件。
第一光电二极管的光伏转换区域2和第二光电二极管的电荷积累区域3的重叠能够由本领域技术人员使用以下容易地执行：
-在离子注入期间的不同的能量水平，及/或
-不同重量的离子。
例如，对于N型掺杂，通常可以使用磷离子(重量轻)或砷离子(重)。图10以μm显示了不同离子关于其注入动能(以keV计)的注入深度。
例如，以光伏模式的光电二极管的光伏转换区域2能够通过在150keV的砷注入而实施，而以积分模式的光电二极管的电荷积累区域3通过以1×1015cm-2的剂量在硼掺杂衬底中在800KeV的磷注入而实施。钝化层5能够通过在10keV以1013cm-2的剂量的BF2注入而获得。由Hong Xiao所著并且由Prentice Hall出版的图书“Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology”(ISBN 0–13–191136–8)给出了对于这种注入所有的所需信息。
图7和图9所示的结构还包括复位晶体管RSTLOG，该复位晶体管适合于将布置在衬底中的复位区域7连接至光伏转换区域2。例如，复位区域7通过在衬底1中第一类型的重掺区域形成的衬底接触而形成。复位晶体管RSTLOG的漏极6与衬底接触7共同形成短路PN结。
衬底1还可以具有空间调制掺杂8，其限定了用于电荷载子的容纳区域，所述容纳区域将第一光电二极管和第二光电二极管组合在一起以容纳电荷载子并且提升由电荷积累区域3对源自光伏转换区域2的电荷载子的收集效率。该空间调制掺杂8使得电荷载子被容纳在所述容纳区域中，因此电荷载子容纳在其能够由电荷积累区域3收集的区域内。电荷积累区域3对源自光伏转换区域2的电荷载子的暴露因而增加。该调制掺杂8也使得在像素之间的串扰减少。空间调制掺杂为典型的具有比衬底1更高的掺杂浓度的区域，并且从衬底1的表面扩展进入衬底1的深度中。
第一光电二极管和第二光电二极管能够例如通过两个放大器进行读取，或者通过装配有输入选择器的单一放大器进行读取。这种布置的优点为在以太阳能电池模式的光电二极管(多个光电二极管)和以积分模式的光电二极管(多个光电二极管)之间更好地耦合。如前所述，以积分模式的光电二极管的读出能够通过在光电二极管(三晶体管像素)上的直接电压读出或者在浮动扩散节点FD(四晶体管像素)上的电荷转移读出而进行。文献EP1354360、US2011/0025898和EP2186318也描述了能够使用的读出结构。
在图7和图9所示的实施方案中，像素结构的读出部分类似于图3中示出的结构。转移晶体管TX控制并且限定在衬底1中的转移沟道，来自电荷积累区域3的电荷载子经由该转移沟道而能够到达浮动扩散节点FD，读出将在浮动扩散节点FD上进行。
图11中示出的另一实施方案允许使用本领域技术人员已知并且已使用的现有结构。在该像素结构中，第一光电二极管(多个第一光电二极管)和第二光电二极管(多个第一光电二极管)插入在衬底中，使得光伏转换区域2位在邻接于至少一个电荷积累区域3。
图11在右侧示出了像素阵列，而在左侧示出了像素1100的放大视图，像素1100包括两个以光伏模式操作的第一光电二极管，每个第一光电二极管包括由与衬底形成PN结的掺杂区域所限定的光伏转换区域2，像素1100还包括两个以积分模式操作并且反向偏置的第二光电二极管，每个第二光电二极管包括由与衬底形成PN结的掺杂区域所限定的电荷积累区域3。
读取第一光电二极管的电压和读取在第二光电二极管处的电荷测量的读出装置可以包括第一电路和第二读出电路，该第一电路用于读取第一光电二极管的电压，而该第二读出电路用于读取在第二光电二极管处的电荷测量。
以光伏模式的第一光电二极管分别通过与在文献EP 1 354 360中描述的电路类似的电路进行读取。第一光电二极管的PN结通过P型半导体衬底形成，在该P型半导体衬底上执行N型扩散以形成光伏转换区域2。
所述电路包括在直流下具有无限大输入阻抗的缓冲放大器1104，第一光电二极管的PN结连接至缓冲放大器1104的输入端。缓冲放大器1104由两个MOS(串联的P沟道场效应晶体管，供应有电源电压)形成，第一晶体管用作偏置电流源，其栅极连接至能够调整该偏置电流的电压。
所述电路进一步包括开关1105，其能够选择性地形成PN结的短路，以模拟暗条件。开关1105和选择开关1106由MOS场效应N沟道晶体管形成。
以积分模式的第二光电二极管分别通过如前所述的三晶体管电路进行读取。
图12显示了该实施方案的变型，其具有以积分模式的四晶体管光电二极管，与以光伏模式的光电二极管相关联的电路仍维持原样。该四晶体管电路以与关于图3进行描述的电路相似的方式操作，该四晶体管电路具有转移晶体管TX，该转移晶体管控制并且限定在以积分模式操作的光电二极管的电荷积累区域3和浮动扩散节点FD之间的电荷转移沟道。该转移晶体管TX通过转移信号TXi进行控制。
在浮动扩散节点FD的电压通过读出晶体管T2进行读取，读出晶体管T2的栅极连接至浮动扩散节点FD。选择晶体管T3由选择信号SELi在其栅极上进行控制，允许光电二极管读出选择性地传输至总线COLj。复位晶体管T1由复位信号RSTi在其栅极上进行控制，允许以复位电压复位浮动扩散节点FD的电压。
这两个实施方案以相似的方式运作。第一光电二极管将在所述第一光电二极管对辐照曝光期间由PN结捕获的光电荷载子重新发射。第二光电二极管包括通过与衬底形成PN结的掺杂区域所限定的电荷积累区域，所述电荷积累区域暴露于源自光伏转换区域的电荷载子，以便积累所述电荷载子。在图11和图12的右侧，电荷载子的流动通过箭头进行表示。
已经考虑到像素的小尺寸，通过太阳能电池光电二极管(即，光伏的)释放的光电荷能够容易地穿过数个像素。例如，在1×1015cm-3剂量的P掺杂硅衬底中，移动电荷扩散长度能够达到数百微米，同时大多数像素的尺寸小于10μm×10μm。在这种情况下，一种简单的解决方案是在一个像素中布置两群光电二极管，或者可选地，两群像素分别由一种类型的光电二极管以阵列形式形成，使得由以太阳能电池模式的像素释放的电荷通过位于邻近的(优选为邻接的，即最接近的附近像素)以积分模式的像素侧向地捕获。
因此我们在所述阵列的输出处得到两个子像：来源于以太阳能电池模式的光电二极管的对数子像，和来源于以积分模式的光电二极管的线性子像。
必须特别注意以积分模式的光电二极管的饱和。如果以积分模式的第二光电二极管被允许积累过多电荷，第二光电二极管将反而通过进入光伏模式(也被称作太阳能电池模式)而终止，并且将使邻接的附近像素的第二光电二极管无效。
因此，必须开启所谓的防模糊功能，优选在以积分模式的光电二极管中开启，以防止其进入光伏模式。通过如图11中的三晶体管电路，简单地经由用于复位信号RST的波形而获得防模糊作用。图13显示了经由RST信号进行防模糊作用的原理。其简单地包括当复位晶体管T1没有开启时，利用非零的低电平的复位信号RST(用于N型沟道复位晶体管)取代为零的信号控制复位晶体管。在图13中的示例中，RST信号保持在1V或更高，使得在浮动扩散节点FD的电压不会变为负值。在这种情况下，通过以积分模式的光电二极管形成的过量电荷通过复位晶体管T1而排向电源。
防模糊功能还优选用于四晶体管光电二极管中以防止在阵列中的模糊。在2009年的国际会议：Image Sensor Workshop中由A.Krymski所作的技术文章“Implementation global shutter in a 4T pixel”提供了对以积分模式的四晶体管像素中的模糊现象的描述，并且还提供了用于防止该模糊现象的有效方法。类似地，专利US7897904、US8093541和US6777662提供了基于第五晶体管的将过量电荷排向电源的解决方案。
如前所述的实施方案依赖于在以太阳能电池模式的光电二极管和以积分模式的光电二极管之间的功能混合。这些实施方案具有的主要优点在于能够利用现有的经过验证的结构。然而一个缺点在于这样的事实：与如前所述的重叠结构相比，对于每种操作模式，光电二极管阵列的空间分辨率一分为二。另外，光电二极管的读出电路保持为独立并且未优化的。用于构成像素(以太阳能电池模式和以积分模式)的晶体管的总数可能因此超过十个晶体管，这导致紧凑性和成本的问题。
另一实施方案提出用于以太阳能电池模式的光电二级管以及用于以积分模式的光电二极管的读出电路的重造。已经考虑到在低的光水平中的性能，以下描述限制于已求助于电荷转移PPD光电二极管的结构。
图14示出根据本发明的像素结构的一个可能实施方案的接线图，同时图15提供在该实施方案中第一光电二极管和第二光电二极管之间的布置的横截面图。
在该实施方案的像素结构中的光电二极管的配置类似于在图7中的配置，但是这只是非限制性示例，例如在图9中的配置或在图11和图12中的配置的其他配置也能够被使用。
例如，在图14和图15中示出的实施方案中，CMOS类型的有源像素的结构包括：
-第一类型的半导体衬底1；
-至少一个第一光电二极管，其以光伏模式操作，所述第一光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的光伏转换区域2，该第二类型的掺杂区域与衬底形成PN结，所述第一光电二极管将在其对辐照曝光期间由PN结捕获的光电荷载子重新发射；
-至少一个第二光电二极管，其以积分模式操作并且反向偏置，所述第二光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的电荷积累区域3，该第二类型的掺杂区域与衬底形成PN结，所述电荷积累区域暴露于源自光伏转换区域2的电荷载子，以便积累这种电荷载子。
在示出的示例中，光伏转换区域2和电荷积累区域3在衬底1中是重叠的。掺杂区域5(也被称作钝化区域)来源于在非常浅深度的与衬底相同类型(例如P型)的大剂量的表面扩散，掺杂区域5使电荷积累区域3与衬底1的表面绝缘。
替代读取第一光电二极管的电压的第一电路和读取在第二光电二极管处的电荷测量的第二电路，读取第一光电二极管的电压并且读取在第二光电二极管处的电荷测量的读出装置可以包括在像素水平处的共用读出电路13。
第一光电二极管和第二光电二极管因此具有在像素水平的共用读出电路13，共用读出电路13连接至共用总线COL以读取第一光电二极管的电压并且读取在第二光电二极管处的电荷测量。
该共用读出电路13的晶体管优选为全N型晶体管。P型晶体管实际上比N型晶体管体积更大，并且P型晶体管的使用将增加像素的体积。另外，由电荷积累区域3对电荷载子的吸收能够无需绝缘间隔而进行，并且能够使用N型晶体管以减小读出电路的体积，并且因此减小像素的体积。
共用读出电路13包括：
-电荷转移结构13a，其适合于读取与第二光电二极管相关联的浮动扩散节点的电压；
-电压偏置电路13b，其经由电荷转移结构13a的复位晶体管Ts2将第一光电二极管连接至浮动扩散节点。
在图14中示出的示例中，电压偏置电路13b包括具有负的阈值电压的N型晶体管Ts1，该晶体管的栅极连接至光伏转换区域2，电压偏置电路13b还包括另一个N型晶体管Ts5，该晶体管的栅极由电压V偏置进行偏置。晶体管Ts1具有漏极，所述漏极连接至电源电压VDD，并且晶体管Ts1的源极连接至另一晶体管Ts5的漏极，并且连接至属于电荷转移结构13a的复位晶体管Ts2的漏极。
该电荷转移结构13a因此包括晶体管Ts2，晶体管Ts2由复位信号RST在其栅极上进行控制，并且经由晶体管Ts2，所述电荷转移结构13a连接至电压偏置电路13b。电荷转移结构13a还包括N型读出晶体管Ts3(也被称作跟随放大器)，读出晶体管Ts3的栅极连接至复位晶体管Ts2的源极，并且连接至浮动扩散节点FD。N型转移晶体管TX使得电荷从电荷积累区域3转移至浮动扩散节点FD。最终，读出晶体管Ts3的源极连接至选择晶体管Ts4的漏极，经由选择晶体管Ts4，读出电路13能够连接至读出总线COL。
该像素结构的运作借助于表示在图16中概要表示的时序图而进行描述。选择信号SEL施加至N型选择晶体管Ts4的栅极，光伏转换区域的复位信号RSTLOG施加至光伏转换区域2的复位晶体管的栅极，复位信号RST施加至N型晶体管Ts2的栅极，转移信号TX施加至N型转移晶体管TX的栅极。电压Vpd对应于在光伏转换区域2处的电压，电压Vfd对应于在浮动扩散节点处的电压，而电压COL对应于在共用总线COL上的电压。
在时刻t1，选择信号SEL开启(高电平)，选择晶体管Ts4接通并且跟随放大器晶体管Ts3连接至读出总线COL。同时，复位信号RST也位于高电平。转移晶体管TX关闭，浮动扩散节点FD连接至以光伏模式的第一光电二极管的读出缓冲器的输出，所述读出缓冲器由电压偏置电路13b形成。第一读出然后在读出总线COL上获得(读出1)。
然后，在时刻t2，光伏转换区域2的复位信号RSTLOG开启至高电平，于是以光伏模式的光电二极管短路，并且执行第二读出(读出2)。在读出1和读出2之间的差给出以光伏模式的光电二极管的对数响应。
在时刻t3，复位信号RST关闭，即改变至低电平，并且浮动扩散节点FD变为孤立的。执行第三读出以读取在浮动扩散节点FD上的复位电平(读出3)。
在时刻t4，经由转移晶体管TX的作用，积累在以积分模式的第二光电二极管上的光电荷转移至浮动扩散节点FD。该电荷转移引起在浮动扩散节点FD上的电压下降。
在时刻t5，转移晶体管关闭，并且执行第四读出(读出4)以测量在浮动扩散节点FD处的电压。在读出3和读出4之间的差给出第二光电二极管的线性响应。最终，在时刻t6，信号RSTLOG和SEL更换为低电平，并且曝光重新开始。
在图14和图15中所示的实施方案中，光电二极管是重叠的。以光伏模式的第一光电二极管在浅深度处进行离子注入，而以积分模式的第二光电二极管在衬底中更深的深度处注入。这些光电二极管的读出的处理类似于在前述实施方案中的处理。该结构会需要对标准CMOS工艺进行微小的修改，但是提供了多得多的优点，特别是在两种类型的光电二极管之间的更好的耦合，以及允许设想改进分辨率的像素的更高的紧凑性。
在这种配置中，晶体管Ts1必须具有负的阈值电压(耗尽型晶体管)以在缓冲器(即电压偏置电路13b)的输出处产生正的电压。该阈值电压必须负的足够大，使得当以光伏模式的第一光电晶体管短路时，存在充足的电压以用于浮动扩散节点FD的复位。
当晶体管Ts2接通时，其必须具有这样的阈值电压，其允许从缓冲器输出(即从电压补偿电路13b)至浮动扩散节点FD的传输。晶体管Ts3必须具有足够的阈值电压，使得能够以良好的线性关系将浮动扩散节点FD的电压复制至总线COL。这些阈值电压能够通过在这些晶体管上的附加离子注入而获得。
尽管如此，如图17和图18所示，调整晶体管Ts1、Ts2和Ts3的阈值电压的复杂性能够通过增加可变偏置电压VX至像素而降低。这些图分别地示出根据本发明的一个实施方案的像素结构的区域布置的接线图和横截面图。
除了光伏转换区域2的短路结构的替换外，本实施方案类似于之前参考图14和图15所述的实施方案。所述短路结构由电压VX所施加至的节点9替换。节点9能够借助于所述光伏转换区域2的复位晶体管RSTLOG而连接至光伏转换区域2。该节点9由第二类型(这里为N型)的重掺区域形成，节点9由可变电压Vx偏置，形成复位区域。该节点9至光伏转换区域2的连接允许所述可变电压Vx传播远至与电荷积累区域3相关联的浮动扩散节点FD。
该结构的运作非常接近于图14和图15中的结构的运作，并且在图19中示出的其操作时序图因此逻辑上非常类似于图16的时序图。因此，在此将只提到它们的差异。
在该配置中，可变电压VX在t3后改变至高于0V的值，并且在时刻t6后，在时刻t7的信号SEL和RSTLOG关闭之前降至0V。也就是说，可变电压VX在以光伏模式的第一光电二极管的读出期间维持在底值，并且在以积分模式的第二光电二极管的读出期间移动至更高的值。可变电压VX因此使得浮动扩散节点FD预充电至有利于第二光电二极管的读出的电压。该可变电压VX的增加因此为晶体管Ts1、Ts2和Ts3的阈值电压的选择提供了更大的灵活性。
图20提供另一变型，其使得能够回避该用于晶体管Ts1、Ts2和Ts3的阈值电压的选择的问题。在该变型中，除了将光伏转换区域2经由电容器CX(取代电压偏置电路)而连接至浮动扩散节点外，该结构保持为与之前所述的结构相似。所述电容器CX的另一端连接至浮动扩散节点FD。电容器CX能够是以与以光伏模式的第一光电二极管分开的结构的形式，或者是以在该第一光电二极管之上的栅极的形式。
图21显示了图20中的实施方案的操作时序图。在像素的曝光期间，信号RST保持在高电平，即电平“1”。在像素已经通过SEL信号在时刻t1的开启而被选择之后，信号RST在时刻t2关闭。在总线COL上的第一读出(读出1)然后读取在浮动扩散节点FD上的复位电压。
之后，以光伏模式(也称作太阳能电池模式)的第一光电二极管通过信号RSTLOG在时刻t3的施加而短路。在该第一光电二极管上的电压的变化(对应于根据光的对数信号)经由电容器CX而传输至浮动扩散节点FD。然后在总线COL上执行第二读出(读出2)。
在这些读出(读出1-读出2)之间的差给出像素的对数响应。已知该变化总是在正方向的(sens positif)，因此不必重新执行浮动扩散节点FD的复位。
在时刻t4信号TX开启。自第二光电二极管传输的光电荷引起在浮动扩散节点FD上的电压的下降。在时刻t5，转移晶体管TX关闭并且在总线COL上执行第三读出(读出3)。在读出2和读出3之间的差给出了像素的线性响应。最终，在t6，信号RSTLOG和SEL回复至低电平，信号RST至高电平，并且曝光重新开始。
对于所有的具有第二电荷转移光电二极管的实施方案，有利的是提供与在四晶体管像素中的防模糊结构不同的防模糊结构。图22和图23显示了两种与第二光电二极管兼容的防模糊结构，第二光电二极管具有与衬底相同类型的重掺区域5，其使所述第二光电二极管的积累区域3与衬底的表面绝缘。
图22和图23为示出了所述结构的不同区域的堆叠配置的横截面图。光伏转换区域2在侧向和在衬底的深度中均由电荷积累区域3所围绕。也能够将这种配置设想用于其他实施方案以使电荷载子的收集最大化。
在图22中，防模糊晶体管11布置在处于电压VDD的节点和积累区域3之间。施加至防模糊晶体管11的栅极的电压ABLM的调制防止电荷载子在第二光电二极管的电荷积累区域3的外部的扩散。作为变型，在图23中，是N型掺杂区域12取代了防模糊晶体管11，并且该掺杂形成了用于从电荷积累区域3溢出的电荷载子的优先通路。
已经呈现的不同的实施方案能够根据可行性而随意组合，并且呈现在现有技术中的要素也能够结合在具体的实施方案中。例如，本发明的结构可以具有在图5中的双重结构。同样地，在图7中示出的变型可以应用在其他的实施方案中。
此外，在示出的示例中衬底是P型的，而光伏转换区域2以及电荷积累区域3和浮动扩散节点FD是N型的。然而，尽管该种配置是优选的，但是其他配置也能够被使用。
本发明还涉及一种传感器，其包括：
-多个根据本发明的像素结构，优选布置为阵列；以及
-至少一个读出电路，其结合第一光电二极管的电压的读出和在第二光电二极管处的电荷测量的读出。
这些读出的结合例如可以是相加，或者更复杂的操作，或者简单地根据曝光条件从一个读出切换至另一个读出。

Claims (17)

1.一种CMOS类型的有源像素结构，包括：
-第一类型的半导体衬底(1)，
-至少一个第一光电二极管，其配置为在所述第一光电二极管对辐照的曝光期间以光伏模式操作，所述第一光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的光伏转换区域(2)，所述第二类型的掺杂区域与所述衬底形成PN结，所述第一光电二极管配置为将在所述第一光电二极管对辐照曝光期间由所述PN结捕获的光电荷载子重新发射；
-至少一个第二光电二极管，其配置为以积分模式操作，并且在所述第一光电二极管对辐照曝光期间反向偏置，所述第二光电二极管包括由第二类型的掺杂区域所限定的电荷积累区域(3)，所述第二类型的掺杂区域与所述衬底形成PN结，所述电荷积累区域配置为暴露于源自所述光伏转换区域(2)的电荷载子，以便积累所述电荷载子；以及
-读出装置，其读取所述第一光电二极管的电压并且读取在第二光电二极管处的电荷测量。
2.根据前一项权利要求所述的结构，其中所述光伏转换区域(2)和电荷积累区域(3)通过衬底的一部分而分隔，由所述第一光电二极管重新发射的电荷载子穿过衬底的该部分以在积累区域进行收集和积累，使得所述第一光电二极管的PN结的耗尽区和所述第二光电二极管的PN结的耗尽区相分隔并且不互相接触。
3.根据前述权利要求中的一项所述的结构，其中所述衬底(1)具有空间调制掺杂(8)，所述空间调制掺杂限定用于电荷载子的容纳区域，所述容纳区域将所述第一光电二极管和所述第二光电二极管组合在一起。
4.根据权利要求2至3中的一项所述的结构，其中在所述光伏转换区域(2)和所述电荷积累区域(3)之间的距离在0.1μm和100μm之间。
5.根据前述权利要求中的一项所述的结构，其中所述第一光电二极管(多个第一光电二极管)和所述第二光电二极管(多个第二光电二极管)插入在所述衬底中，使得光伏转换区域(2)位在邻接于至少一个电荷积累区域(3)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的结构，其中所述光伏转换区域(2)和所述电荷积累区域(3)是至少部分重叠的。
7.根据前一项权利要求所述的结构，其中所述电荷积累区域(3)具有空间扩展，所述空间扩展至少覆盖所述光伏转换区域(2)的范围。
8.根据前述权利要求其中一项所述的结构，其中所述第二光电二极管包括钝化层，所述钝化层具有与所述衬底相同类型的掺杂，并且将所述电荷积累区域(3)与所述衬底的表面相分隔。
9.根据前述权利要求其中一项所述的结构，其中复位晶体管(RSTLOG)适合于将布置在所述衬底(1)中的复位区域连接至所述光伏转换区域(2)。
10.根据前一项权利要求所述的结构，其中所述复位区域由衬底接触(7)形成，所述衬底接触由在所述衬底(1)中的第一类型的重掺区域形成。
11.根据权利要求9所述的结构，其中所述复位区域由利用可变电压Vx偏置的重掺区域形成，以将所述可变电压Vx传播远至与所述电荷积累区域(3)相关联的浮动扩散节点(FD)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的结构，其中所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的读出装置包括读出电路(13)，所述读出电路为所述第一光电二极管和所述第二光电二极管所共用，在像素水平处，所述读出电路连接至共用总线COL以读取所述第一光电二极管的电压和在所述第二光电二极管处的电荷测量。
13.根据前一项权利要求所述的结构，包括与所述电荷积累区域(3)相关联的浮动扩散节点(FD)，其中所述共用读出电路(13)包括：
-电荷转移结构(13a)，其适合于读取与所述第二光电二极管相关联的浮动扩散节点的电压；
-电压补偿电路(13b)，其经由电荷转移结构的复位晶体管(Ts1)而将所述第一光电二极管连接至所述浮动扩散节点(FD)。
14.根据前一项权利要求所述的结构，其中所述电压偏置电路(13b)包括负阈值电压晶体管(Ts1)，所述负阈值电压晶体管的栅极连接至所述光伏转换区域(2)。
15.根据权利要求12所述的结构，包括与所述电荷积累区域(3)相关联的浮动扩散节点(FD)，其中所述共用读出电路(13)包括电荷转移结构(13a)，所述电荷转移结构适合于读取与所述第二光电二极管相关联的浮动扩散节点的电压；
并且其中所述光伏转换区域(2)经由电容器(CX)而连接至所述浮动扩散节点。
16.一种传感器包括：
-多个根据权利要求1至15中的一项所述的像素结构；
-至少一个输出电路，其将所述第一光电二极管的电压的读出和在所述第二光电二极管处的电荷测量的读出结合。
17.一种具有根据权利要求1至15中的任一项所述的结构的CMOS类型的有源像素的操作过程，其中：
-所述第一光电二极管以光伏模式操作并且将在所述第一光电二极管对辐照曝光期间由PN结捕获的光电荷载子重新发射；
-所述第二光电二极管反向偏置并且以积分模式操作，所述电荷积累区域暴露于源自所述光伏转换区域的电荷载子，以便积累所述电荷载子；
-所述第一光电二极管的电压和在所述第二光电二极管处的电荷测量通过读出装置进行读取。
CN201380068148.2A 2012-10-26 2013-10-25 Cmos有源像素结构 Active CN104885223B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1260260A FR2997596B1 (fr) 2012-10-26 2012-10-26 Structure d'un pixel actif de type cmos
FR1260260 2012-10-26
PCT/EP2013/072444 WO2014064274A1 (fr) 2012-10-26 2013-10-25 Structure d'un pixel actif de type cmos

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104885223A true CN104885223A (zh) 2015-09-02
CN104885223B CN104885223B (zh) 2018-03-13

Family

ID=47741022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380068148.2A Active CN104885223B (zh) 2012-10-26 2013-10-25 Cmos有源像素结构

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9854194B2 (zh)
EP (1) EP2912690B1 (zh)
JP (1) JP6157630B2 (zh)
CN (1) CN104885223B (zh)
FR (1) FR2997596B1 (zh)
WO (1) WO2014064274A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106601763A (zh) * 2015-10-14 2017-04-26 金勋 具有太阳能电池功能的图像传感器及其电子装置
CN110312089A (zh) * 2019-06-28 2019-10-08 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像处理方法、装置和存储介质
US10757350B2 (en) 2015-07-31 2020-08-25 Sony Semiconductor Solutions Corporation Solid-state image pickup device and electronic apparatus
CN111769130A (zh) * 2020-07-17 2020-10-13 山东大学 一种cmos像素传感器
CN112399110A (zh) * 2019-08-15 2021-02-23 天津大学青岛海洋技术研究院 一种对数光响应大动态范围像素结构

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9373655B2 (en) * 2014-01-21 2016-06-21 Sony Corporation Imaging device and electronic apparatus
FR3022397B1 (fr) * 2014-06-13 2018-03-23 New Imaging Technologies Cellule photoelectrique de type c-mos a transfert de charge, et capteur matriciel comprenant un ensemble de telles cellules
WO2016090144A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 Robert Bosch Gmbh Imaging system for simultaneous imaging and energy harvesting
CN107005666B (zh) * 2014-12-11 2020-08-18 索尼半导体解决方案公司 摄像装置、摄像装置的驱动方法和电子设备
FR3031623B1 (fr) * 2015-01-09 2018-02-16 New Imaging Technologies Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature
US9735188B2 (en) 2015-01-15 2017-08-15 Hoon Kim Image sensor with solar cell function
FR3037205B1 (fr) 2015-06-04 2018-07-06 New Imaging Technologies Capteur optique
US20170024868A1 (en) * 2015-07-22 2017-01-26 Semiconductor Components Industries, Llc High dynamic range imaging pixels with logarithmic response
JP6953263B2 (ja) 2017-10-05 2021-10-27 キヤノン株式会社 固体撮像装置および撮像システム
JP7174932B2 (ja) * 2018-03-23 2022-11-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像素子
JP7150504B2 (ja) * 2018-07-18 2022-10-11 キヤノン株式会社 固体撮像装置及びその駆動方法
US10739807B2 (en) 2018-09-11 2020-08-11 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Body biasing for ultra-low voltage digital circuits
US10892757B1 (en) 2019-11-25 2021-01-12 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Reverse body biasing of a transistor using a photovoltaic source
US20240096589A1 (en) * 2020-11-23 2024-03-21 Asml Netherlands B.V. Semiconductor charged particle detector for microscopy

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060043519A1 (en) * 2004-08-31 2006-03-02 Sony Corporation Solid-state imaging device, camera module and electronic equipment module
CN101465364A (zh) * 2007-12-18 2009-06-24 索尼株式会社 固态成像装置和相机
JP2009182223A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Fujifilm Corp 裏面照射型固体撮像素子
WO2009103048A1 (en) * 2008-02-14 2009-08-20 Quantum Semiconductor Llc Dual photo-diode cmos pixels
US20120085888A1 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 Renesas Electronics Corporation Back-side illuminated solid-state imaging device
CN102460702A (zh) * 2009-06-26 2012-05-16 全视科技有限公司 具有偏压材料及背侧阱的成像器

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1251387A (fr) 1959-12-09 1961-01-20 Dispositif formant emballage et présentoir pour articles de bonneterie
US5903021A (en) 1997-01-17 1999-05-11 Eastman Kodak Company Partially pinned photodiode for solid state image sensors
US6372537B1 (en) 2000-03-17 2002-04-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Pinned photodiode structure in a 3T active pixel sensor
FR2819941B1 (fr) 2001-01-25 2003-06-20 Get Int Element photoelectrique a tres grande dynamique de fonctionnement
US6777662B2 (en) 2002-07-30 2004-08-17 Freescale Semiconductor, Inc. System, circuit and method providing a dynamic range pixel cell with blooming protection
US7230227B2 (en) * 2004-10-08 2007-06-12 The Boeing Company Lenslet/detector array assembly for high data rate optical communications
JP2008072098A (ja) * 2006-08-17 2008-03-27 Sony Corp 半導体イメージセンサ
US7964929B2 (en) 2007-08-23 2011-06-21 Aptina Imaging Corporation Method and apparatus providing imager pixels with shared pixel components
FR2920590B1 (fr) 2007-08-28 2009-11-20 New Imaging Technologies Sas Pixel actif cmos a tres grande dynamique de fonctionnement
US7989749B2 (en) 2007-10-05 2011-08-02 Aptina Imaging Corporation Method and apparatus providing shared pixel architecture
US7763837B2 (en) 2007-11-20 2010-07-27 Aptina Imaging Corporation Method and apparatus for controlling anti-blooming timing to reduce effects of dark current
US8093541B2 (en) 2008-06-05 2012-01-10 Aptina Imaging Corporation Anti-blooming protection of pixels in a pixel array for multiple scaling modes
JP5365144B2 (ja) * 2008-11-06 2013-12-11 ソニー株式会社 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器
JP5369505B2 (ja) * 2008-06-09 2013-12-18 ソニー株式会社 固体撮像装置、及び電子機器
US20100148221A1 (en) * 2008-11-13 2010-06-17 Zena Technologies, Inc. Vertical photogate (vpg) pixel structure with nanowires
FR2943178B1 (fr) 2009-03-13 2011-08-26 New Imaging Technologies Sas Capteur matriciel a faible consommation
JP5126305B2 (ja) * 2010-07-02 2013-01-23 株式会社ニコン 固体撮像素子
US9595558B2 (en) * 2013-11-12 2017-03-14 Intrinsix Corporation Photodiode architectures and image capture methods having a plurality of photodiode with a shared electrode

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060043519A1 (en) * 2004-08-31 2006-03-02 Sony Corporation Solid-state imaging device, camera module and electronic equipment module
CN101465364A (zh) * 2007-12-18 2009-06-24 索尼株式会社 固态成像装置和相机
JP2009182223A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Fujifilm Corp 裏面照射型固体撮像素子
WO2009103048A1 (en) * 2008-02-14 2009-08-20 Quantum Semiconductor Llc Dual photo-diode cmos pixels
CN102460702A (zh) * 2009-06-26 2012-05-16 全视科技有限公司 具有偏压材料及背侧阱的成像器
US20120085888A1 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 Renesas Electronics Corporation Back-side illuminated solid-state imaging device

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10757350B2 (en) 2015-07-31 2020-08-25 Sony Semiconductor Solutions Corporation Solid-state image pickup device and electronic apparatus
CN106601763A (zh) * 2015-10-14 2017-04-26 金勋 具有太阳能电池功能的图像传感器及其电子装置
CN106601763B (zh) * 2015-10-14 2020-01-31 金勋 具有太阳能电池功能的图像传感器及其电子装置
CN110312089A (zh) * 2019-06-28 2019-10-08 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像处理方法、装置和存储介质
CN110312089B (zh) * 2019-06-28 2022-02-01 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像处理方法、装置和存储介质
CN112399110A (zh) * 2019-08-15 2021-02-23 天津大学青岛海洋技术研究院 一种对数光响应大动态范围像素结构
CN111769130A (zh) * 2020-07-17 2020-10-13 山东大学 一种cmos像素传感器
CN111769130B (zh) * 2020-07-17 2021-10-08 山东大学 一种cmos像素传感器

Also Published As

Publication number Publication date
EP2912690B1 (fr) 2019-12-25
JP2015534407A (ja) 2015-11-26
EP2912690A1 (fr) 2015-09-02
FR2997596A1 (fr) 2014-05-02
US9854194B2 (en) 2017-12-26
CN104885223B (zh) 2018-03-13
WO2014064274A1 (fr) 2014-05-01
FR2997596B1 (fr) 2015-12-04
US20150281621A1 (en) 2015-10-01
JP6157630B2 (ja) 2017-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104885223B (zh) Cmos有源像素结构
CN205142377U (zh) 成像系统与图像传感器像素
JP4273124B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
TWI416718B (zh) 具有多重通道子區域之傳輸閘極的影像感測器
US9287305B2 (en) Global shutter bulk charge modulated device
KR100954942B1 (ko) 4-방향 공유 픽셀 상의 2-방향 공유 저장 게이트 제공 방법및 장치
KR101129128B1 (ko) 후면 조사 이미지 센서를 위한 회로 및 광센서 오버랩
US7829832B2 (en) Method for operating a pixel cell using multiple pulses to a transistor transfer gate
TWI518887B (zh) 小型像素內高動態範圍成像
US9654713B2 (en) Image sensors, methods, and pixels with tri-level biased transfer gates
CN101123670B (zh) 光学传感器和固体成像器件
US8698061B2 (en) Image sensors, methods, and pixels with storage and transfer gates
CN101939982A (zh) 具有全域快门及储存电容的背侧照明影像传感器
TW201324756A (zh) 用於影像感測器之部分埋入式通道傳輸裝置
EP1941715A2 (en) Method and apparatus providing a two-way shared storage gate on a four-way shared pixel
US20120181417A1 (en) Method and image sensor with extended pixel dynamic range incorporating transfer gate with potential well
JP5980269B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
TWI670978B (zh) 藉由升壓光電二極體驅動之成像感測器
WO2009136285A2 (en) Pixel circuitry for ultra wide dynamic range
EP3420592B1 (en) Improved ultra-high dynamic range pixel architecture
JP3814379B2 (ja) 光電変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant