CN107408564A - 具有对数响应和扩展的温度操作范围的矩阵传感器 - Google Patents
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Abstract
一种具有对数响应和扩展的温度操作范围的矩阵传感器，包括多个有源像素，每个有源像素由操作在太阳能电池模式下的光电二极管(PD)限定，所述光电二极管由衬底(11)中的半导体结形成，反向偏压结(20)存在于离所述光电二极管的所述结的距离(d)小于电荷在所述衬底中的扩散长度的位置，所述反向偏压结(20)由到一定深度(p)的扩散来形成，该深度大于在形成传感器的邻近光电二极管的晶体管的源极或漏极时所使用的深度(p’)。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器以及更具体地涉及使用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)集成技术的光学传感器。
背景技术
CMOS集成技术允许产生用于具有良好分辨率和合理图像质量的单片摄影机的芯片。这些单片摄影机主要用于便携式设备，诸如移动电话、数码相机或笔记本电脑。由这些摄影机拍摄的图像本质上用于在屏幕上或在因特网上查看。
这种类型的摄影机的非常经济的性质已引起视频辅助系统内的多个应用对其稳步递增的兴趣，上述多个应用诸如汽车智能安全气囊、汽车在高速公路上的纵向和横向控制、或受控区的视频监控等。
在这类摄影机的使用中遇到的第一个困难在于在给定场景中的照明的变化程度。在高度照明区和不佳照明区之间，该变化可以很容易超过120dB。由于传统的CCD或CMOS摄影机具有线性响应，因此这些摄影机无法很容易适应这类变化且经常产生完全或部分饱和的图像，导致相关信息的损失和不稳定的视觉系统。
第二个困难在于在动态场景中的亮度变化的幅度和速率。用于自动控制传统摄影机的曝光的机制无法充分地对其响应且因此完全或部分饱和(这极其损害系统的正确操作)形成。
许多方法提出通过创建具有动态操作范围的有源像素结构来解决这些问题，该动态操作范围通过在高亮度情况下呈现较低敏感度的非线性光电响应来增大。
因此，专利申请EP 1354360描述了基于光电二极管在光伏态(也称为太阳能电池模式)下的使用具有对数响应的有源像素结构。该光电二极管可以由p-n结形成，该p-n结由p型衬底中的n扩散形成。在光伏操作中，该光电二极管生成负的开路电压，该负的开路电压的绝对值与落在光电二极管上的照度的对数成比例。复位晶体管允许在该光电二极管中创建短路，以便在存在正常照明的情况下模拟黑暗。读出由光电二极管生成的开路电压和短路电压之间的差别允许在读取链中抑制固定图形噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)且因此获得清晰图像。
专利FR 2 920 590和FR 2 943 178描述了对传感器的大量改进，这些传感器的像素使用操作在太阳能电池模式下的光电二极管。
专利申请WO 2014/064274公开了一种有源像素结构，其包括操作在光伏模块下的第一发光二极管和操作在集成模型下的第二光电二极管，以便积累在第一光电二极管中生成的电荷载流子。
专利申请US 2002/0024058公开了一种包括雪崩光电二极管的光检测器电路。
所有这些实施方式在图像捕获方面都实现了良好的性能，除了随着操作温度的漂移。该温度漂移将恒定的而非相当均匀的偏移电压添加到从传感器输出的图像。这对于简单的观察应用并不是不利的，但是对于多个应用(诸如光学计量、热成像、或彩色成像)是不利的，其中传感器的绝对响应是重要的。
发明内容
因此本发明的目标之一是提供具有非常大的动态操作范围和随着温度的变化具有稳定的光电响应的光学传感器。
此外，通常利用由置于黑暗中的像素生成的基准信号修正温度相关的电压偏移。为了更好的稳定性，使用置于黑暗中的一组像素并对其响应求均值以便获得稳定的基准电平。
接着，在每次读出时，从由暴露于光线的光电二极管读取的信号中减去该基准电平，以便获得随着温度变化而稳定的响应。
在大量的已知图像传感器中使用该方法来使其响应相对于温度或相对于部件参数中的离差而稳定。
然而，出于多个原因，这对于使用处于太阳能电池模式的光电二极管的对数响应像素是完全无效的。
首先，难以在非常大的操作范围上遮盖光线。出于该目的使用的金属层必然包含使这些层能透光(尤其是在高的光强度下)的微裂纹。
此外，多层方案没有如预期那样有效，原因是金属层之间的光学共振，这意味着吸收相加而非相乘。例如，叠置两个金属层仅仅使衰减加倍。
最后，借助金属遮盖层的边缘的光泄漏在黑暗电平中生成不可接受的变化，因为对数响应像素对低的光强度非常敏感。
因此还需要补救该缺陷。
传统的CMOS光学传感器(即，其像素包括未操作在太阳能电池模式下的光电二极管的那些CMOS光学传感器)对过度曝光非常敏感，这与本发明涉及的传感器相反，本发明涉及的传感器由于其对数响应而对过度曝光不敏感。
特别地如在公开物WO 2014/131704 A1中所描述，已知的是利用邻近光电二极管的扩散来防止该过度曝光效果，该扩散例如利用光电二极管的复位晶体管的栅极来形成。然而，该公开物完全未提及如下事实，这类扩散可用于与对数响应像素的操作的温度依赖性有关的有利效果。
本发明旨在补救上文提及的缺陷中的全部或一些缺陷，以及根据本发明的一个方面，本发明的一个主题为一种具有扩展的温度操作范围的对数响应矩阵阵列传感器，所述传感器包括多个有源像素，每个有源像素由操作在太阳能电池模式下的光电二极管限定，所述光电二极管由衬底中的半导体结形成，反向偏压结存在于离所述光电二极管的所述结的距离小于电荷载流子在所述衬底中的扩散长度的位置，这个结优选地由在衬底中到一深度的扩散来形成，该深度大于在形成传感器的邻近光电二极管的那些晶体管的源极或漏极时所使用的深度。
因此，根据本发明的反向偏压结不同于形成邻近光电二极管的晶体管的源极或漏极所需的扩散。
每个扩散可以是局部的且离散的以及与仅一个对应光电二极管相关联。
然而，反向偏压结优选地通过扩散获得，该扩散为多个光电二极管共有的以及在多个光电二极管之下延伸或者在多个光电二极管之下延伸且围绕每个光电二极管的至少两侧。
多个光电二极管共有的扩散的优势是允许更高的光电二极管植入密度，以及环绕每个光电二极管的扩散的优势是允许获得更好的抗光圈效果，允许进一步增大动态操作范围。
扩散深度对应于从表面测量的扩散的下限。
然而用于形成晶体管的源极或漏极的扩散优选地局限于近表面以便防止寄生电流阻止良好的栅极控制，用于形成反向偏压结的扩散优选地更深，从而该扩散能够在对数像素的温度行为中发挥积极作用。
有利配置是将处于太阳能电池模式的光电二极管的结放在相对于衬底反向偏压的阱中。该布置完全抑制由于相邻光电二极管之间的光圈效应而造成的串扰。
通过位于附近的反向偏压扩散，根据本发明的光电二极管的响应受温度效应支配，该温度效应可以被累加为随着温度升高的简单漂移。本发明允许在宽温度范围(特别地在-50℃和100℃之间)中获得对数响应。
优选地，该传感器包括电容，该电容用于将电荷注入光电二极管中，从而在读出表示由光电二极管接收的照度的电压之前使光电二极管正向偏压。这类注入允许在甚至更低的温度下获得对数响应。
而且优选地，该传感器包括用于生成基准电压的基准像素，该基准电压用于补偿有源像素的响应中的温度相关漂移，这个或这些基准像素被遮盖免受入射光且实际上通过将电流注入基准像素的光电二极管的结中而置于给定的非零照明条件下。
该电流可以通过电阻被注入基准像素的光电二极管中，该电阻连接到电压源，该电压源在与由光电二极管在其照明效果下生成的光电流相同的方向上生成电流。作为变型，该电流可以通过电容被注入基准像素的光电二极管中，该电容连接到斜坡电压源，该斜坡电压源在与由光电二极管生成的光电流相同的方向上生成电流。
因此，根据本发明的这个方面，代替创建黑暗基准电平，通过在一个或多个基准像素中电模拟该照明来创建对应于特定照明度的基准电平。因此，在背景技术中回忆的关于使用黑暗基准电平的缺陷被避免，因为对杂散光的基准信号的影响在高照明度下更小。
衬底可以为p型半导体、尤其p型硅，以及光电二极管可以包括n+型区域。
反向偏压结可以借助n+型区域来实现。反向偏压结的n+型区域有利地由用于读取光电二极管的电压的PMOS晶体管的n掺杂阱限定。
该传感器可以针对每个像素包括用于复位光电二极管的晶体管，该晶体管在处于导通状态时将预定的偏置电压施加到光电二极管。
用于将电荷注入光电二极管中从而在曝光之前使光电二极管正向偏压的电容可以为该复位晶体管的寄生栅极-漏极电容(寻求开发该电容)，或作为变型，可以为专门产生的电容。
通过该电荷注入获得的光电二极管的初始偏置电压可以被包括在0.1V和0.2V之间。
本发明的另一主题为一种用于操作根据本发明的传感器(即，诸如上文所限定的传感器)的方法，包括通过闭合复位晶体管使光电二极管复位，以及将电荷注入光电二极管中从而在暴露于由光电二极管接收的光线的阶段开始时使光电二极管正向偏压，以及在扩展的温度操作范围中获得对数响应。
该温度范围可以涵盖至少从-15℃延伸到60℃的范围，以及更好的是从-50℃延伸到100℃的范围。
优选地，通过从基准像素读取的电压修正有源像素的光电二极管的电压(例如通过减法)，从而生成表示由有源像素接收的照度且在操作范围中不受温度影响的信号。
上文提及的用于生成模拟基准像素的特定照明度的电流的斜坡可以包括复位晶体管的控制信号的下降沿。
附图说明
在阅读本发明的非限制性的示例实施方式的如下详细描述之后以及在细阅附图之后，将可能更好地理解本发明，附图中：
图1为根据本发明的传感器的像素的等效电路图；
图2示意性地且部分地示出像素的CMOS结构；
图3示出光电二极管的衬底中的电荷轮廓；
图4为类似于图1的像素的变型实施方式的图；
图5示出在基准像素中生成模拟曝光的电流；
图6为变型实施方式的类似于图5的视图；
图7为示出生成将由斜坡(ramp)注入的电荷的方式的时序图；
图8示出在读出光电二极管的电压之前、在缺少电荷注入的情况下由像素根据照明度在阳极-阴极方向上生成的电压的变型；
图9示出在光电二极管的曝光开始之前、在电荷注入之后由根据本发明的像素根据照明度在阳极-阴极方向上生成的电压；以及
图10为光电二极管的简化等效电路的示意性表示；以及
图11和图12示意性示出传感器的变型实施方式。
具体实施方式
图1示意性地且部分地示出根据本发明的光学传感器的像素的电子电路。该像素形成包括多行像素和多列像素的检测器矩阵阵列的一部分。每个像素包括与用于读取其电压的电子器件相关联的光电二极管PD，这还未详细描述；例如在专利FR 2 943 178中描述了用于在太阳能电池模式下读取光电二极管的电路的示例。
光电二极管PD在太阳能电池模式下的开路电压通过输出信号在14处采样。在每个读周期之后通过闭合受信号RST控制的复位晶体管10使光电二极管复位(复位操作)，如图1所示，该晶体管在闭合时将预定的电势施加到光电二极管的端子。
光电二极管PD可以通过使n型掺杂物扩散到p型衬底11中来形成，如图2所示，使用传统的CMOS集成技术。
复位操作允许存储在光电二极管PD的阴极的光电荷被耗尽，但是存储在衬底中的光电荷也必须为空。
如果传感器的矩阵阵列中的像素密度低，则组成该电荷的电荷载流子自然在衬底中重组。相反地，如果像素矩阵阵列是密集的(这是在根据本发明的传感器中的情况)，则必须特意吸收这些电荷载流子。
根据本发明，在离光电二极管PD的距离d(小于扩散长度)处，在衬底11中创建反向偏压结20。
复位晶体管40包括结41、结42，这两个结的n++区域延伸到小于区域20的深度p的深度p’。
扩散长度表征少数载流子在重组之前在衬底中行进的距离。该距离在p型衬底中通常被称为Lp，如在所考虑示例中。例如，如在“Physics of Semiconductor Devices”(本书在1981年由S.M.Sze编写且由John Wilet&Sons出版，国际标准图书编号(ISBN)为0-471-05661-8)中所描述的那样确定Lp。在用于制造CMOS电路的标准衬底中，Lp例如被包括在50μm和200μm之间。
结20可以利用n+型区域来创建，例如用于读出发光二极管PD的电压的至少一个PMOS晶体管的阱N阱，为了清楚起见在图中未示出该晶体管。在FR2 943 178中描述了使用PMOS晶体管的读取电路的示例。
作为变型，尤其在所使用的读取电路如在FR 2 920 590中所描述的那样仅包括NMOS晶体管时，n扩散可以靠近发光二极管PD而形成。该n扩散可以形成扩散的形成像素的有源组件或无源组件的部分，例如NMOS晶体管的源极或漏极。
在p型衬底11由硅制成的情况下，光电二极管的n+区域例如通过扩散或通过离子注入(利用砷或磷)来形成，以及相同的工艺用于反向偏压的n+区域。
对于在衬底中的单一光电二极管，下面方程(1)管理所述光电二极管的电流ID和电压VD之间的关系。
Vt为热来源的电压，在20℃下通常为大约26mV，以及IS为光电二极管的结的饱和电流。
照明二极管在太阳能电池模式下的静态开路电压通过下面方程(2)给出。Iλ为光电流。
可以看出，当IS变大时，光电二极管两端的电压不再对数性地变化。将要注意，IS在硅中大约每隔7℃加倍。
在由靠近光电二极管的结20(即，在小于扩散长度Lp的距离处)形成n掺杂区域的情况下，光电二极管两端的电压的变化受该n掺杂区域的偏压影响。
基于少数电荷载流子在光电二极管与附近的n掺杂区域之间的扩散的模型允许推导关于光电二极管的电压和电流的方程。
如图3所示，靠近处于太阳能电池模式的光电二极管的通过电压VAB(称为曝光过度保护电压)反向偏压的n扩散改变p型区域中的少数载流子(即，在本确切情况下的电子)的轮廓。因此，通过光电二极管注入衬底11中的电荷根据扩散规律扩散到反向偏压的n掺杂区域。
在用于制造图像传感器的衬底中，结晶质量是卓越的。因此，对于在n型区域之间的相对于扩散长度的小距离，少数载流子的分布是基本上三角形的。
可以推导用于该光电二极管的电流-电压关系：
从该关系(3)可以看出，光电二极管的电流/电压曲线不通过点(0,0)。从点(0,0)的这个偏离是看到温度漂移效应的原因，这是因为当光电二极管中的电流为零时(对应于黑暗)，光电二极管两端的电压不为零。
处于太阳能电池模式的光电二极管两端的电压可以用下面关系(4)来描述。
可以看出，使n掺杂结20反向偏压允许保持基本上对数的变化，甚至当电流IS很高时，这是因为取决于-VAB/Vt的指数项可忽略不计。
当光电二极管处于黑暗中时，然而电流IS随温度的变化在该情况下导致电压漂移，可以如下所述对该电压漂移进行修正。
当发光二极管PD与复位晶体管10相关联时，光电二极管从初始电压(标为VD0)开始变化。
在图10中示出的简单等效电路可以用于对光电二极管在复位操作之后的动态行为建模。该等效电路的分析允许推导微分方程(5)，该微分方程(5)的解给出光电二极管在曝光时间t之后的电压VD。
在该方程中，IAB＝Is exp(-VAB/Vt)，VDO为光电二极管两端的初始电压，以及CD为光电二极管的电容，其它项具有与在方程(4)中相同的含义。
在图像传感器中，曝光时间通常被设为低于或等于捕获时段(其为常量)的值。
如果光电二极管两端的电压在曝光结束时被绘制为落在光电二极管上的照明度的函数，则针对各个温度级和电流IS获得复杂响应，如图8所示。
在高光通量下，该响应为严格对数的，但是在低通量下，该响应在低温下可以为线性的，这是因为在复位操作之后必须对光电二极管的寄生电容再充电。
相比之下，利用处于太阳能电池模式的光电二极管而不具有附近的反向偏压结20，光电响应随温度快速塌陷。在该情况下不可能借助后续处理恢复敏感度的损失。
从方程(5)可以看出，如果处于太阳能电池模式的光电二极管的初始电压VD0被设为正值，即如果在复位阶段期间使光电二极管正向偏压而非短路，则该响应在整个温度范围上变为对数的。温度对响应的效果然后可以被总结为简单漂移，如图9所示，其中，针对从-20℃延伸到90℃的温度范围示出了作为照度的函数的电压的变化。
难以利用MOS晶体管复位正向偏压的光电二极管，这是因为在该情况下也使复位晶体管的源极和漏极正向偏压。这些正向偏压结将电荷注入衬底(其具有与光电荷相同的性质)中，从而阻止图像传感器中的光电二极管的正确操作。
电容40可用于将电荷注入光电二极管中，从而在已断开复位晶体管之后使该光电二极管正向偏压。
电容40可以为如图1所示的复位晶体管10的寄生电容、或如图4所示的特定电容。借助该电容施加到光电二极管的初始正向偏压VD0例如为0.15V。
电容的值高到足以在低温下获得受欢迎的对数响应。
例如，寻求在T＝-15℃时在响应中获得相对于25℃下的响应的小于1％的离差。在此，离差被定义为响应曲线之间的相对偏差。
此外，根据本发明的光学传感器有利地包括一个或多个基准像素，该一个或多个基准像素被保护而免受入射光且用于生成基准电压，该基准电压允许温度漂移被补偿，以及因此可以获得在宽范围上为对数的且不受温度影响的信号。
该一个或多个基准像素被金属层遮盖，该金属层相对于入射光形成屏幕；然而，与已知方案相对照，在此模拟预定的基准照明条件。
如果该基准照明度被设为足够高，则可以很容易使用CMOS制造工艺、通过光学掩膜衰减或甚至抑制光泄漏的效果。
例如，如果金属层允许衰减因子达到2000且如果对数像素的敏感度阈值为0.01勒克斯(lux)，则置于黑暗中的基准像素的最大可容许照度为20勒克斯，这是非常低的。
利用提出的方案，如果基准照度被设为10,000勒克斯，则即使基准像素接收200,000勒克斯，基准电平也仅有1％的变化。
如果需要，则为了甚至更大的精度，可以将多个金属层施加于一个或多个基准像素。通常，精度随着电子模拟的照明度而提高。
为了模拟该照明度，可以使用被电阻31连接到光电二极管PD的电压源30生成模拟等效照明条件的电流、且因此生成沿着与由光电二极管在太阳能电池模式下的操作生成的方向相同的方向流动的电流，如图5所示。在所考虑示例中，该电压源为负的，以及电压源30的电压选择和电阻31的值选择允许获得预期电流。
另一更有利的方案是使用通过电容33连接到光电二极管的阴极的电压斜坡，如图6所示。然后可以借助电容值的选择和斜坡的斜率的选择来调整模拟照明条件的电流。
斜坡电压源可以具体用于生成受欢迎的电流。然而，可以有利的是采用传感器的晶体管的控制信号(特别地，复位晶体管的控制信号RST)的下降沿，如图7所示。在光电二极管PD的每个曝光周期之前触发该信号RST。
图11和图12示出了根据本发明的传感器的两个示例，其中，结20通过衬底11中的扩散来形成，该扩散延伸到光电二极管PD的多个结之下。
在图11的示例中，对于特定光电二极管PD，结20在小于扩散长度L的距离d处仅在该光电二极管PD之下延伸，从而允许保持密集植入。
在图12中的示例中，用于形成结的扩散在每个光电二极管PD的任一侧横向延伸，且优选地也在该光电二极管PD之下延伸。
扩散例如形成杯状体，在每个杯状体内放置一个光电二极管PD。
衬底11可以为p型，以及光电二极管PD的结和反向偏压结可以为n型。
形成反向偏压结的扩散的深度p相对很大。
在0.18μm技术的情况下，该深度例如为至少0.5μm。更大深度允许吸收更多的由长波长光子(>650nm)创造的光电荷。
本发明不限于所描述的示例。特别地，n载流子类型和p载流子类型可以被颠倒。
深度p和距离d在传感器内可以变化，其为局部值。深度p和距离d可以很容易通过扫描电子显微镜来确定。
表达“包括一”或“包括一个”必须被理解为与“包括至少一个”同义，除非另有规定。
Claims (17)
1.一种具有扩展的温度操作范围的对数响应矩阵阵列传感器，所述传感器包括多个有源像素，每个有源像素由操作在太阳能电池模式下的光电二极管(PD)限定，所述光电二极管由衬底(11)中的半导体结形成，反向偏压结(20)存在于离所述光电二极管的所述结的距离(d)小于电荷载流子在所述衬底中的扩散长度的位置，所述传感器包括用于生成基准电压的一个或多个基准像素，所述基准电压用于补偿所述有源像素的响应中的温度相关漂移，这个或这些基准像素被遮盖免受入射光且实际上通过将电流注入所述光电二极管的所述结中而置于给定照明条件下。
2.如权利要求1所述的传感器，包括电容(40)，所述电容(40)用于将电荷注入所述光电二极管(PD)中，从而在读出表示由所述光电二极管接收的照度的电压之前使所述光电二极管正向偏压。
3.如权利要求1所述的传感器，其中，电流通过电阻(31)被注入基准像素的所述光电二极管中，所述电阻(31)连接到电压源(30)，所述电压源(30)在与由所述光电二极管(PD)生成的光电流相同的方向上生成电流。
4.如权利要求1所述的传感器，其中，电流通过电容(33)被注入基准像素的所述光电二极管中，所述电容(33)连接到斜坡电压源，所述斜坡电压源在与由所述光电二极管生成的光电流相同的方向上生成电流。
5.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述衬底(11)为p型半导体、尤其是p型硅，以及所述光电二极管(PD)包括n+型区域。
6.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述反向偏压结(20)由n+型区域生成。
7.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述反向偏压结(20)的所述n+型区域由用于读取所述光电二极管的电压的PMOS晶体管的n掺杂阱限定。
8.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中，针对每个像素，所述传感器包括用于复位所述光电二极管(PD)的晶体管(10)，所述晶体管(10)在处于导通状态时将预定的电压施加到所述光电二极管。
9.如包括权利要求2的前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，用于将电荷注入所述光电二极管(PD)中从而在读出所述电压之前使所述光电二极管正向偏压的所述电容(40)为所述复位晶体管(10)的寄生电容。
10.如包括权利要求2的权利要求1至8中任一项所述的传感器，其中，用于将电荷注入所述光电二极管中从而在读出所述电压之前使所述光电二极管正向偏压的所述电容(40)为特定制造的电容。
11.如包括权利要求2的前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，通过所述电容注入电荷之后的所述光电二极管(PD)的初始偏置电压被包括在0.1V和0.2V之间。
12.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述反向偏压结(20)在所述光电二极管(PD)的所述结之下延伸。
13.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述反向偏压结(20)在所述光电二极管的所述结的两侧的至少两个相对边上延伸且更好的是一直围绕所述光电二极管延伸。
14.一种用于操作诸如在前述任一项权利要求中所限定的传感器的方法，包括通过闭合复位晶体管(10)使所述光电二极管(PD)复位，以及将电荷注入所述光电二极管中从而在用于测量由所述光电二极管接收的光的阶段开始时使所述光电二极管正向偏压，以及在宽温度范围的操作范围中获得对数响应。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述温度范围至少涵盖-15℃至60℃的范围，以及更好的是至少涵盖-50℃至100℃的范围。
16.如权利要求14和15中的一项以及权利要求1所述的方法，其中，通过从基准像素读取的电压修正有源像素的所述光电二极管的电压，从而生成表示由所述有源像素接收的照度且在所述操作范围中不受温度影响的信号。
17.如权利要求14至16中的一项以及权利要求4和8所述的方法，其中，所述斜坡包括所述复位晶体管的控制信号的下降沿。
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