CN106791501A - 图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法 - Google Patents

图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器包括衬底、接触电极和量子点层，所述衬底中设置有读出电路单元，所述读出电路单元包含传输管和溢出电容，所述溢出电容通过一溢出电容选择管连接所述传输管，所述接触电极设置在所述衬底上，所述接触电极连接所述传输管的源极，所述量子点层覆盖所述接触电极设置在所述衬底上。在本发明提供的图像传感器中，采用量子点材料，所述图像传感器在读出电路中设置了一个溢出电容，并通过溢出电容选择管控制，可完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，经过处理从而得到高动态范围的图像。

Description

图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法。
背景技术
图像传感器是把光学图像信息转化成电信号的器件，传统的固态图像传感器可包括CCD(电荷耦合装置)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器两大类。其中CMOS图像传感器由于在像素阵列中采用了有源像素传感器，且采用CMOS集成电路工艺制程，可将像素阵列光敏结构和其他CMOS模拟、数字电路集成到同一块芯片上。高度集成不但减少整机芯片数量，降低整机功耗和封装成本，而且芯片内部直接信号连接还有利于信号传输的质量和速度，从而提高图像转换的质量。因此，CMOS图像传感器是市场上的主流技术。
目前，新兴的图像传感器采用量子点(quantum dot)材料制成，其探测波长随量子点大小可调，同时具有较高的响应度，如现有技术中的图像传感器，通过接触电极收集量子点的电荷信息，从而获得图像信息。相比传统CMOS图像传感器，量子点图像传感器具有灵敏度高，串扰小，填充率高，快门速度快等优势。在图像传感器中的一个重要指标是动态范围，动态范围小则感光范围小，在高光强是容易过曝光，通常传感器的光电响应度灵敏度越高，则低光成像越好，但高光强越容易过曝光。
因此，图像传感器的动态范围不足是本领域技术人员需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制作方法，以解决现有技术中图像传感器的动态范围不足问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器，包括衬底、接触电极和量子点层，所述衬底中设置有读出电路单元，所述读出电路单元包含传输管和溢出电容，所述溢出电容通过一溢出电容选择管连接所述传输管，所述溢出电容选择管的漏极连接所述传输管的漏极，所述溢出电容选择管的源极连接所述溢出电容，所述溢出电容选择管的栅极连接电容选择信号，所述传输管的栅极连接传输信号，所述接触电极设置在所述衬底上，所述接触电极连接所述传输管的源极，所述量子点层覆盖所述接触电极设置在所述衬底上。
可选的，在所述图像传感器中，所述传输管的源极连接一节点电容，所述传输管的漏极连接一悬浮电容。
可选的，在所述图像传感器中，所述读出电路单元还包含复位管和行选择管，所述复位管的漏极连接重置电压源，所述复位管的源极连接所述传输管的漏极，所述复位管的栅极连接重置信号，所述行选择管的源极连接信号输出端，所述行选择管的漏极连接所述传输管的漏极，所述行选择管的栅极连接行选择信号。
可选的，在所述图像传感器中，所述行选择器的漏极通过一源随器连接所述传输管的漏极，所述源随器的漏极连接一源随电压源，所述源随器的源极连接行选择管的漏极，所述源随器的栅极连接所述传输管的漏极。
可选的，在所述图像传感器中，所述量子点层上设置有上电极，所述上电极的材料包括氧化铟锡、氟化氧化锡或铝氧化锌，所述上电极的厚度为50nm～500nm。
可选的，在所述图像传感器中，所述上电极上设置有钝化层，所述钝化层，所述钝化层的材料包括二氧化硅或氮化硅，所述钝化层上设置有滤光片和透镜。
可选的，在所述图像传感器中，所述量子点层的材料包括CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP中一种及其组合，所述量子点层中量子点的半径为2nm～10nm，所述量子点之间的间距小于等于0.5nm。
可选的，在所述图像传感器中，所述接触电极的材料包括功函数大于4.8eV的高功函数材料和功函数小于4.4eV的低功函数材料，所述高功函数材料包括金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡或氮化钛中一种及其组合，所述低功函数材料包括铝、镁或氮化钽中一种及其组合，所述接触电极的厚度为20nm～500nm。
本发明还包括一种图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器采用上述图像传感器，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
关闭复位管、行选择管和传输管，打开溢出电容选择管，使溢出电容与悬浮电容相连；
打开传输管，使节点电容、悬浮电容及溢出电容相连，再打开复位管，将节点电容、悬浮电容和溢出电容都充满电荷，然后关闭复位管和传输管；
打开行选择管，读出第二噪声，然后关闭行选择管；
曝光，节点电容中电荷通过接触电极在量子点层流失；
将溢出电容选择管关闭后，打开复位管，将悬浮电容充满电荷，再关闭复位管；
打开行选择管，读出第一噪声；
打开传输管，使节点电容的电荷与悬浮电容的电荷中合后，再关闭传输管，读出第一采样信号；
打开溢出电容选择管，使溢出电容的电荷与悬浮电容的电荷中合后，读出第二采样信号。
本发明还包括另一种图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器采用上述图像传感器，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
关闭复位管、行选择管和传输管，打开溢出电容选择管，使溢出电容与悬浮电容相连；
打开传输管，使节点电容、悬浮电容及溢出电容相连，再打开复位管，将节点电容、悬浮电容和溢出电容都充满电荷，然后关闭复位管；
打开行选择管，读出第二噪声，然后关闭行选择管；
曝光，节点电容中电荷通过接触电极在量子点层流失；
将传输管和溢出电容选择管关闭后，打开复位管，将悬浮电容充满电荷，再关闭复位管；
打开行选择管，读出第一噪声；
打开传输管，使节点电容的电荷与悬浮电容的电荷中合后，再关闭传输管，读出第一采样信号；
打开传输管和溢出电容选择管，使节点电容的电荷、悬浮电容的电荷及溢出电容的电荷中合后，读出第二采样信号。
综上所述，在本发明提供的图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法中，所述图像传感器采用量子点材料，所述图像传感器在读出电路中设置了一个溢出电容，并通过溢出电容选择管控制，可完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，经过处理从而得到高动态范围的图像。
附图说明
图1是本发明实施例的图像传感器的剖示图；
图2是本发明实施例的图像传感器的电路连接示意图；
图3是本发明实施例的图像传感器的像素信号采集方法的时序示意图；
图4是本发明实施例的另一图像传感器的像素信号采集方法的时序示意图；
图5为本发明实施例的图像传感器的芯片系统架构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如图1所示，本发明提供一种图像传感器，包括衬底10、接触电极20和量子点层30，所述衬底10中设置有读出电路单元100，所述读出电路单元100包含传输管110和溢出电容120，所述溢出电容120通过一溢出电容选择管130连接所述传输管110，所述溢出电容选择管130的漏极接所述传输管110的漏极，所述溢出电容选择管130的源极连接所述溢出电容120，所述溢出电容选择管130的栅极连接电容选择信号，所述传输管110的栅极连接传输信号，所述接触电极20设置在所述衬底10上，所述接触电极20连接所述传输管110的源极，所述量子点层30覆盖所述接触电极20设置在所述衬底10上。
如图2所示，本发明提供的图像传感器的电路示意图，在本实施例中，所述传输管T4(TG)的源极连接一节点电容Cn，节点电容Cn用于存储接触电极的电位信息，即在曝光前后节点电容经接触电极由量子点层产生电位变化，所述传输管T4(TG)的漏极连接一悬浮电容FD，悬浮电容FD用于存储电荷。
继续参考图2所示，所述读出电路单元110还包含复位管T1(Reset)和行选择管T3(ROW)，所述复位管T1(Reset)的漏极连接重置电压源Vreset，所述复位管T1(Reset)的源极接所述传输管T4(TG)的漏极，所述复位管T1(Reset)的栅极接重置信号RX，复位管T1(Reset)通过重置电压源Vreset可将溢出电容Cs、节点电容Cn和悬浮电容FD充满电荷重置为高电位，所述行选择管T3(ROW)的源极连接信号输出端Vout进行信号输出，所述行选择管T3(ROW)的漏极连接所述传输管T4(TG)的漏极，所述行选择管T3(ROW)的栅极连接行选择信号RS。
在本实施例中，所述行选择管T3(ROW)的漏极通过一源随器T2(SF)连接所述传输管T4(TG)的漏极，所述源随器T2(SF)的漏极连接一源随电压源Vdd，所述源随器T2(SF)的源极连接行选择管T3(ROW)的漏极，所述源随器T2(SF)的栅极连接所述传输管T4(TG)的漏极，经过源随器T2(SF)的输入电压和输出电压的大小及相位均一样，由于源随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，实现了阻抗的转换，这样提高电路带负载的能力。
继续参考图1所示，所述量子点层30上设置有上电极40，通过上电极实现各电路的连接，所述上电极40的材料包括氧化铟锡、氟化氧化锡或铝氧化锌中一种，其中所述上电极40的厚度为50nm～500nm，上述材料和厚度为较佳的满足需要。
进一步的，所述上电极40上设置有钝化层，通过钝化层起保护隔离作用，防止图像传感器受到空气中的氧气、水分等的影响，所述钝化层的材料包括二氧化硅或氮化硅，二氧化硅和氮化硅性质稳定能起到较佳的隔离作用，所述钝化层上设置有滤光片和透镜，使用滤光片将不需要的光过滤掉，通过透镜来确定光路。
可选的，所述量子点层30的材料包括CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP中一种，所述量子点层30中量子点的半径为2nm～10nm，所述量子点之间的间距小于等于0.5nm，根据需要选择的量子点层的材料属性，上述范围为较佳选择。
可选的，所述接触电极20的材料包括功函数大于4.8eV的高功函数材料和功函数小于4.4eV的低功函数材料，所述高功函数材料包括金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡或氮化钛中一种及其组合，所述低功函数材料包括铝、镁或氮化钽中一种及其组合，针对不同运用和不同量子点材料选用不同的功函数材料，所述接触电极20的厚度为20nm～500nm，通过该厚度范围内的接触电极实现较佳的欧姆接触，在具体的实施方式中，接触电极在在衬底上成阵列状排列，量子点层为连接均匀的薄膜，接触电极可通过通孔相连接到读出电路单元。
本发明还提供图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器采用上述图像传感器，结合图2和图3所示，图3中描述t1至t8时序中信号变换，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
初始化，关闭复位管T1(Reset)、行选择管T3(ROW)和传输管T4(TG)，通过电容选择信号CS打开溢出电容选择管T5，使溢出电容Cs与悬浮电容FD相连，即将溢出电容Cs与悬浮电容FD连接到同一电路上；
重置，通过传输信号TX打开传输管T4(TG)，使节点电容Cn、悬浮电容FD及溢出电容Cs相连，即将节点电容Cn、悬浮电容FD及溢出电容Cs连接到同一电路上，再通过重置信号RX打开复位管T1(Reset)，使节点电容Cn、悬浮电容FD和溢出电容Cs都充满电荷，即将节点电容Cn、悬浮电容FD和溢出电容Cs都重置为高电位，然后关闭复位管T1(Reset)和传输管T4(TG)；
第二噪声N2采样，通过行选择信号RS打开行选择管T3(ROW)，在信号输出端Vout读出第二噪声N2，然后关闭行选择管T3(ROW)；
曝光，节点电容Cn中电荷通过接触电极在量子点层QD流失，使节点电容Cn的电位降低；
重置悬浮电容FD，将溢出电容选择管T5关闭后，通过重置信号RX打开复位管T1(Reset)，将悬浮电容FD充满电荷，即将悬浮电容FD重置为高电位，再关闭复位管T1(Reset)；
第一噪声N1采样，通过行选择信号RS打开行选择管T3(ROW)，在信号输出端Vout读出第一噪声N1；
第一信号S1采样，通过传输信号TX打开传输管T4(TG)，使节点电容Cn的电荷与悬浮电容FD的电荷中合后，即使节点电容Cn与悬浮电容FD的电位达到平衡后，再关闭传输管T4(TG)，然后在信号输出端Vout读出混合第一噪声N1的第一采样信号S1+N1；
第二信号S2采样，通过电容选择信号CS打开溢出电容选择管T5，使溢出电容Cs的电荷与悬浮电容FD的电荷中合后，即使溢出电容Cs与悬浮电容FD的电位达到平衡后，然后在信号输出端Vout读出混合第二噪声N2的第二采样信号S2+N2。
结合图4所示，另一图像传感器的像素信号采集方法包括：
初始化，关闭复位管T1(Reset)、行选择管T3(ROW)和传输管T4(TG)，通过电容选择信号CS打开溢出电容选择管T5，使溢出电容Cs与悬浮电容FD相连，即将溢出电容Cs与悬浮电容FD连接到同一电路上；
重置，通过传输信号TX打开传输管T4(TG)，使节点电容Cn、悬浮电容FD及溢出电容Cs相连，即将节点电容Cn、悬浮电容FD及溢出电容Cs连接到同一电路上，再通过重置信号RX打开复位管T1(Reset)，将节点电容Cn、悬浮电容FD和溢出电容Cs都充满电荷，即将节点电容Cn、悬浮电容FD和溢出电容Cs都重置为高电位，然后关闭复位管T1(Reset)；
第二噪声N2采样，通过行选择信号RS打开行选择管T3(ROW)，在信号输出端Vout读出第二噪声N2，然后关闭行选择管T3(ROW)；
曝光，节点电容Cn中电荷通过接触电极在量子点层QD流失，使节点电容Cn的电位降低；
重置悬浮电容FD，将传输管T4(TG)和溢出电容选择管T5关闭后，通过重置信号RX打开复位管T1(Reset)，将悬浮电容FD充满电荷，即将悬浮电容FD重置为高电位，再关闭复位管T1(Reset)
第一噪声N1采样，通过行选择信号RS打开行选择管T3(ROW)，在信号输出端Vout读出第一噪声N1；
第一信号S1采样，通过传输信号TX打开传输管T4(TG)，使节点电容Cn的电荷与悬浮电容FD的电荷中合后，即使节点电容Cn与悬浮电容FD的电位达到平衡后，再关闭传输管T4(TG)，然后在信号输出端Vout读出混合第一噪声N1的第一采样信号S1+N1；
第二信号S2采样，通过传输信号TX打开传输管T4(TG)并通过电容选择信号CS打开溢出电容选择管T5，使节点电容Cn的电荷、悬浮电容FD的电荷及溢出电容Cs的电荷中合后，即使节点电容Cn、悬浮电容FD及溢出电容Cs的电位达到平衡后，然后在信号输出端Vout读出混合第二噪声N2的第二采样信号S2+N2。
在本发明的图像传感器中，复位管、源随器、行选择管、传输管和溢出电容选择管均为诸如MOS管的开关选择器件，开关选择器件的栅极所连接的重置信号、行选择信号、传输信号及溢出电容选择信号均为通过电路连接的控制信号，其中重置电压源和源随电压源均为提供的一电压源，本发明中各器件的连接方式均为芯片中可实现的多层金属互联线的布线方式，关于开关选择器件的源极和漏极均为本领域的常规描述，如图5所示是芯片系统架构示意图，像素阵列包括本发明的图像传感器，在此基本上的变换及开关选择器件的不同选择，均表明本发明的技术内容。
通过本发明提供的图像传感器，采用量子点材料形成的量子点层结构可提高图像传感器的填充系数，由于量子点材料对光线响应的非线性(高光强下响应率降低)，可在一定程度上增大动态范围。在溢出电容的作用下进一步得到高动态范围的图像，例如，通过溢出电容选择管，在溢出电容选择管关闭的情况下，曝光后输出得到未饱和图像，在溢出电容选择管打开的情况下，得到饱和图像，可分别形成两张对暗光和强光细节敏感的图像，从而完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，经过后续软件处理就可得到一张高动态范围的图像。同时，采用同一个源随器读出两张图像信号，减少电路中元件数量的同时避免了不同源随器性能差异造成的影响。并且，由于两张图像曝光采集的时间相同，本发明提供的图像传感器可适用于高速运动等场景，通过本发明中图像传感器的像素信号采集方法去除掉噪声后得到所述需要的图像信息的第一信号和第二信号。
综上所述，在本发明提供的图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法中，所述图像传感器采用量子点材料，所述图像传感器在读出电路中设置了一个溢出电容，并通过溢出电容选择管控制，可完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，经过处理从而得到高动态范围的图像。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
衬底，所述衬底中设置有读出电路单元，所述读出电路单元包含传输管和溢出电容，所述溢出电容通过一溢出电容选择管连接所述传输管，所述溢出电容选择管的漏极连接所述传输管的漏极，所述溢出电容选择管的源极连接所述溢出电容，所述溢出电容选择管的栅极连接电容选择信号，所述传输管的栅极连接传输信号；
接触电极，所述接触电极设置在所述衬底上，所述接触电极连接所述传输管的源极；
量子点层，所述量子点层覆盖所述接触电极设置在所述衬底上。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述传输管的源极连接一节点电容，所述传输管的漏极连接一悬浮电容。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述读出电路单元还包含复位管和行选择管，所述复位管的漏极连接重置电压源，所述复位管的源极连接所述传输管的漏极，所述复位管的栅极连接重置信号，所述行选择管的源极连接信号输出端，所述行选择管的漏极连接所述传输管的漏极，所述行选择管的栅极连接行选择信号。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述行选择管的漏极通过一源随器连接所述传输管的漏极，所述源随器的漏极连接一源随电压源，所述源随器的源极连接行选择管的漏极，所述源随器的栅极连接所述传输管的漏极。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的图像传感器，其特征在于，所述量子点层上设置有上电极，所述上电极的材料包括氧化铟锡、氟化氧化锡或铝氧化锌，所述上电极的厚度为50nm～500nm。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述上电极上设置有钝化层，所述钝化层的材料包括二氧化硅或氮化硅，所述钝化层上设置有滤光片和透镜。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的图像传感器，其特征在于，所述量子点层的材料包括CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP中一种及其组合，所述量子点层中量子点的半径为2nm～10nm，所述量子点之间的间距小于等于0.5nm。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的图像传感器，其特征在于，所述接触电极的材料包括功函数大于4.8eV的高功函数材料和功函数小于4.4eV的低功函数材料，所述高功函数材料包括金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡或氮化钛中一种及其组合，所述低功函数材料包括铝、镁或氮化钽中一种及其组合，所述接触电极的厚度为20nm～500nm。
9.一种图像传感器的像素信号采集方法，其特征在于，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
关闭复位管、行选择管和传输管，打开溢出电容选择管，使溢出电容与悬浮电容相连；
打开传输管，使节点电容、悬浮电容及溢出电容相连，再打开复位管，使节点电容、悬浮电容和溢出电容都充满电荷，然后关闭复位管和传输管；
打开行选择管，读出第二噪声，然后关闭行选择管；
曝光，节点电容中电荷通过接触电极在量子点层流失；
将溢出电容选择管关闭后，打开复位管，将悬浮电容充满电荷，再关闭复位管；
打开行选择管，读出第一噪声；
打开传输管，使节点电容的电荷与悬浮电容的电荷中合后，再关闭传输管，然后读出第一采样信号；
打开溢出电容选择管，使溢出电容的电荷与悬浮电容的电荷中合后，然后读出第二采样信号。
10.一种图像传感器的像素信号采集方法，其特征在于，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
关闭复位管、行选择管和传输管，打开溢出电容选择管，将溢出电容与悬浮电容相连；
打开传输管，将节点电容、悬浮电容及溢出电容相连，再打开复位管，使节点电容、悬浮电容和溢出电容都充满电荷，然后关闭复位管；
打开行选择管，读出第二噪声，然后关闭行选择管；
曝光，节点电容中电荷通过接触电极在量子点层流失；
将传输管和溢出电容选择管关闭后，打开复位管，将悬浮电容充满电荷，再关闭复位管；
打开行选择管，读出第一噪声；
打开传输管，使节点电容的电荷与悬浮电容的电荷中合后，再关闭传输管，然后读出第一采样信号；
打开传输管和溢出电容选择管，使节点电容的电荷、悬浮电容的电荷及溢出电容的电荷中合后，然后读出第二采样信号。
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