CN106791513B - 图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法 - Google Patents
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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、接触电极组和量子点层，所述衬底中设置有读出电路单元，所述接触电极组包括第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积的两倍以上所述量子点层设置在所述衬底上覆盖所述第一接触电极和所述第二接触电极。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，通过读出电路单元与接触电极组连接，所述接触电极组包含第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积的两倍以上，可完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，进而可以得到高动态范围的图像。
Description
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、接触电极组和量子点层，所述衬底中设置有读出电路单元，所述读出电路单元包括第一传输管和第二传输管，所述第一传输管的栅极连接第一传输信号，所述第二传输管的栅极连接第二传输信号，所述接触电极组设置在所述衬底上，所述接触电极组包括第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积的两倍以上，所述第一接触电极连接所述第一传输管路的源极，所述第二接触电极连接所述第二传输管路的源极，所述量子点层设置在所述衬底上覆盖所述第一接触电极和所述第二接触电极。
可选的，在所述图像传感器中，所述第一传输管的源极连接第一节点电容，所述第二传输管的源极连接第二节点电容，所述第一节点电容的容量小于等于所述第二节点电容的容量，所述第一传输管的漏极与所述第二传输管的漏极均连接一悬浮电容。
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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均与所述复位管的源极连接，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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均与所述行选择管的漏极连接，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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均通过一源随器与所述行选择管的漏极连接，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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均与所述源随器的栅极连接。
可选的，在所述图像传感器中，所述第二接触电极围绕所述第一接触电极。
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，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
关闭复位管、行选择管、第一传输管和第二传输管；
打开第一传输管，使第一节点电容与悬浮电容相连，再打开复位管，使第一节点电容和悬浮电容都充满电荷，然后关闭复位管和第一传输管；
打开行选择管，读出第一噪声，然后关闭行选择管；
打开第二传输管，使第二节点电容与悬浮电容相连，再打开复位管，使第二节点电容和悬浮电容都充满电荷，然后关闭复位管和第二传输管；
打开行选择管，读出第二噪声，然后关闭行选择管；
曝光，第一节点电容和第二节点电容中的电荷通过接触电极在量子点层流失；
打开第一传输管，使第一节点电容中的电荷与悬浮电容中的电荷中和，再关闭第一传输管，然后打开行选择管，读出第一采样信号，再关闭行选择管；
打开复位管，使悬浮电容充满电荷，再关闭复位管；
打开第二传输管，使第二节点电容中的电荷与悬浮电容中的电荷中和，再关闭第二传输管，然后打开行选择管，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，通过读出电路单元与接触电极组连接，所述接触电极组包含第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积两倍以上，可完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，进而可以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3a至3f是本发明实施例的图像传感器的第一接触电极与第二接触电极的俯视图；
图4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、接触电极组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包括第一传输管110和第二传输管120，所述第一传输管110的栅极连接第一传输信号(TX1)，所述第二传输管120的栅极连接第二传输信号(TX2)，所述接触电极组20设置在所述衬底10上，所述接触电极组20包括第一接触电极21和第二接触电极22，所述第一接触电极21的接触面积是所述第二接触电极22的接触面积的两倍以上，所述第一接触电极21连接所述第一传输管路110的源极，所述第二接触电极22连接所述第二传输管路120的源极，所述量子点层30设置在所述衬底30上覆盖所述第一接触电极21和所述第二接触电极22。
继续参考图1所示，在本实施例中，所述第一传输管110的源极连接第一节点电容111，所述第二传输管120的源极连接第二节点电容121，节点电容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，所述第一节点电容111的容量小于等于所述第二节点电容121的容量，进一步增加节点电容的容量与接触电极的接触面积的比例来增加形成的图像信号的动态范围，所述第一传输管110的漏极与所述第二传输管120的漏极均连接一悬浮电容130，悬浮电容用于存储电荷。
如图2所示，本发明提供的图像传感器的电路示意图，所述读出电路单元还包含复位管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，所述第一传输管T4(TG1)的漏极和所述第二传输管T5(TG2)的漏极均与所述复位管T1(Reset)的源极连接，所述复位管T1(Reset)的栅极连接重置信号RX，所述行选择管T3(ROW)的源极连接信号输出端Vout，所述第一传输管T4(TG1)的漏极和所述第二传输管T5(TG2)的漏极均与所述行选择管T3(ROW)的漏极连接，所述行选择管T3(ROW)的栅极连接行选择信号RS。
继续参考图2所示，在本实施例中，所述第一传输管T4(TG1)的漏极和所述第二传输管T5(TG2)的漏极均通过一源随器T2(SF)与所述行选择管T3(ROW)的漏极连接，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，所述第一传输管T4(TG1)的漏极和所述第二传输管T5(TG2)的漏极均与所述源随器T2(SF)的栅极连接，经过源随器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。
如图3a至3f所示，所述第二接触电极22围绕所述第一接触电极21，具体的，在图3a和图3b中，大面积的第一接触电极21位于中心，小面积的第二接触电极22位于第一接触电极21的四周，在图3c、图3d、图3e及图3f中，大面积的电极为第一接触电极21，其它小面积的电极可以连接在一起共享，同时开闭，效果相加在一起成为第二接触电极22，通过共享的小面积的第二接触电极22提高了对电极结构的面积利用率，例如，其中图3f所示设置方式相比图3e所示设置方式对电极结构的面积利用率更高。
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，所述量子点层的材料包括CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP中一种，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，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，所述第一接触电极21和所述第二接触电极22的材料均包括功函数大于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，所述第一接触电极21的厚度为20nm～500nm，所述第二接触电极22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4所示，图4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)、第一传输管T4(TG1)和第二传输管T5(TG2)；
第一节点电容Cn1重置，通过第一传输信号TX1打开第一传输管T4(TG1)，使第一节点电容Cn1与悬浮电容FD相连，即将第一节点电容Cn1与悬浮电容FD连接到同一电路上，再通过重置信号RX打开复位管T1(Reset)，使第一节点电容Cn1和悬浮电容FD都充满电荷，即将第一节点电容Cn1和悬浮电容FD都重置为高电位，然后关闭复位管T1(Reset)和第一传输管T4(TG1)；
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，然后关闭行选择管T3(ROW)；
第二节点电容Cn2重置，通过第二传输信号TX2打开第二传输管T5(TG2)，使第二节点电容Cn2与悬浮电容FD相连，即将第二节点电容Cn2与悬浮电容FD连接到同一电路上，再通过重置信号RX打开复位管T1(Resst)，使第二节点电容Cn2和悬浮电容FD都充满电荷，即将第二节点电容Cn2和悬浮电容FD都重置为高电位，然后关闭复位管T1(Resst)和第二传输管T5(TG2)；
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，然后关闭行选择管T3(ROW)；
曝光，第一节点电容Cn1和第二节点电容Cn2中的电荷通过接触电极在量子点层流失，使第一节点电容Cn1和第二节点电容Cn2的电位降低；
第一信号S1采样，通过第一传输信号TX1打开第一传输管T4(TG1)，使第一节点电容Cn1中的电荷与悬浮电容FD中的电荷中和，即使第一节点电容Cn1与悬浮电容FD的电平达到平衡后，再关闭第一传输管T4(TG1)，然后通过行选择信号RS打开行选择管T3(ROW)，在信号输出端Vout读出第一采样信号S1+N1，再关闭行选择管T3(ROW)；
悬浮电容FD重置，通过重置信号RS打开复位管T1(Resst)，使悬浮电容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(Resst)；
第二信号S2采样，通过第二传输信号TX2打开第二传输管T5(TG2)，使第二节点电容Cn2中的电荷与悬浮电容FD中的电荷中和，即使第二节点电容Cn2与悬浮电容FD的电平达到平衡后，再关闭第二传输管T5(TG2)，再通过行选择信号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、第一传输管和第二传输管均为诸如MOS管或场效应管(FET)等开关器件，开关器件的栅极所连接的重置信号、行选择信号、第一传输信号及第二传输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，在此基础上的变换及开关器件的不同选择，均属于本发明的技术内容范围内。
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。通过在量子点层下设置大小不同的第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积的两倍以上，并分别由第一传输管和第二传输管的控制，得到高动态范围的图像，例如，通过控制第一传输管连接的第一接触电极，曝光后输出得到饱和图像，通过控制第二传输管连接的第二接触电极，曝光后输出得到不饱和图像，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，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，通过读出电路单元与接触电极组连接，所述接触电极组包含第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积的两倍以上，可完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，进而可以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括第一传输管和第二传输管，所述第一传输管的栅极连接第一传输信号，所述第二传输管的栅极连接第二传输信号；
接触电极组，所述接触电极组设置在所述衬底上，所述接触电极组包括第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极的接触面积是所述第二接触电极的接触面积的两倍以上，所述第一接触电极连接所述第一传输管路的源极，所述第二接触电极连接所述第二传输管路的源极；
量子点层，所述量子点层设置在所述衬底上覆盖所述第一接触电极和所述第二接触电极；
其中，通过控制第一传输管连接的第一接触电极，曝光后输出得到饱和图像，并且通过控制第二传输管连接的第二接触电极，在同一次曝光后输出得到不饱和图像，从而完成一次曝光同时输出未饱和图像和饱和图像，经过后续软件处理得到一张高动态范围的图像。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一传输管的源极连接第一节点电容，所述第二传输管的源极连接第二节点电容，所述第一节点电容的容量小于等于所述第二节点电容的容量，所述第一传输管的漏极与所述第二传输管的漏极均连接一悬浮电容。
3.根据权利要求2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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均与所述复位管的源极连接，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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均与所述行选择管的漏极连接，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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均通过一源随器与所述行选择管的漏极连接，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，所述第一传输管的漏极和所述第二传输管的漏极均与所述源随器的栅极连接。
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，所述第二接触电极围绕所述第一接触电极。
6.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。
7.根据权利要求6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。
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。
9.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，所述第一接触电极和所述第二接触电极的材料均包括功函数大于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，所述第一接触电极的厚度为20nm～500nm，所述第二接触电极的厚度为20nm～500nm。
10.一种如权利要求4所述的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、第一传输管和第二传输管；
打开第一传输管，使第一节点电容与悬浮电容相连，再打开复位管，使第一节点电容和悬浮电容都充满电荷，然后关闭复位管和第一传输管；
打开行选择管，读出第一噪声，然后关闭行选择管；
打开第二传输管，使第二节点电容与悬浮电容相连，再打开复位管，使第二节点电容和悬浮电容都充满电荷，然后关闭复位管和第二传输管；
打开行选择管，读出第二噪声，然后关闭行选择管；
曝光，第一节点电容和第二节点电容中的电荷通过接触电极在量子点层流失；
打开第一传输管，使第一节点电容中的电荷与悬浮电容中的电荷中和，再关闭第一传输管，然后打开行选择管，读出第一采样信号，再关闭行选择管，所述第一采样信号对应一张饱和图像；
打开复位管，使悬浮电容充满电荷，再关闭复位管；
打开第二传输管，使第二节点电容中的电荷与悬浮电容中的电荷中和，再关闭第二传输管，然后打开行选择管，读出第二采样信号，所述第二采样信号对应一张不饱和图像；
利用软件将所述饱和图像和所述不饱和图像处理为一张高动态图像。
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