CN107492558B - 一种超高速快门半导体影像传感器 - Google Patents
一种超高速快门半导体影像传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107492558B CN107492558B CN201610413090.6A CN201610413090A CN107492558B CN 107492558 B CN107492558 B CN 107492558B CN 201610413090 A CN201610413090 A CN 201610413090A CN 107492558 B CN107492558 B CN 107492558B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photodiode
- transistor
- exposure
- image sensor
- signal
- 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.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims description 19
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 8
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009432 framing Methods 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
-
- 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
-
- 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
- H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
- H01L27/14605—Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery
-
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种半导体影像传感器，在其像素阵列内部中的除光电二极管(D1)的光敏感区域以外的位置上，罩有由不透明导电材料构成的遮光结构；所述遮光结构与构成光电二极管(D1)一极的由半导体材料构成的区域间呈环状接触，仅在引出光电二极管(D1)另外一极的引线的位置留有开口；所述遮光结构在像素阵列内部仅在每个所述环状接触内部以及所述开口处具有孔洞。在本发明中，曝光开始及结束控制晶体管(M1、M2)的漏极分别连接到信号存储电容(C1)的两端，在使用0.5微米CMOS混合信号工艺实施本发明时，其最短快门选通时间仅75皮秒，对405纳米可见光的残留感光低至八千万分之一，具有超高速快门和低残留感光的特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体影像传感器，尤其是一种具有超高速快门的半导体影像传感器。
背景技术
在科学研究和技术研发的过程中，经常需要对某些不能精确重复的瞬态过程进行时间间隔非常短的连续拍照即高速分幅摄影。当要求的时间分辨为纳秒以下时，这样的高速分幅摄影通常需要使用基于微通道板影像增强器的高速摄影设备实现；当要求的时间分辨为数皮秒至三十皮秒左右时，则需要用结合使用了时间展宽技术的基于微通道板影像增强器的装置实现。其他实现这一时间分辨范围的高速分幅摄影技术包括基于闪光照相法的按顺序定时全光学映射摄影术(sequentially timed all-optical mappingphotography)，以及基于宽幅条纹相机的压缩超高速摄影术(compressed ultrafastphotography)等。
2008年，Robert Berger等（Berger R, et al. A 64 × 64-pixel CMOS testchip for the development of large-format ultra-high-speed snapshot imagers[J]. IEEE J. Solid-State Circuits, 2008, 43(9): 1940-1950.）发表了基于0.18微米CMOS工艺的超高速全局同步快门半导体影像传感器用读出芯片的设计。该芯片为读出芯片，需要与传感器层结合使用，才有较好的快门效率、对绿光和红光的时间分辨能力等性能。同时制造此传感器层的难度较大，目前未见成功制成此传感器层的报道。并且，尽管此读出芯片是基于0.18微米CMOS工艺制作的，其最高时间分辨能力也仅为约200皮秒。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于分幅超高速摄影的具有极高快门速度的半导体影像传感器，特别是由单一芯片组成的对可见光和近紫外线敏感的影像传感器。与基于电真空器件的分幅超高速摄影装置相比，基于本发明的影像传感器的超高速摄影装置，具有动态范围大、结构简单、成本低廉、体积和质量小、时间分辨率高、触发抖动小、易于调节快门选通时间等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种半导体影像传感器，其像素阵列的每一个像素单元电路中包含至少一个半导体光电二极管(D1)，在像素阵列内部中的除所述光电二极管(D1)的光敏感区域以外的位置上，罩有由不透明导电材料构成的遮光结构；所述遮光结构与构成光电二极管(D1)一极的由半导体材料构成的区域之间设置有环状接触面，仅在引出光电二极管(D1)另外一极的引线的位置留有开口；在拓扑结构上，所述遮光结构在像素阵列内部仅在每个所述环状接触面内部以及所述开口处具有孔洞。
进一步，每一个像素单元电路中所包含的半导体光电二极管(D1)的负极为位于p型导电类型区域中的n型区域，正极为位于所述n型区域中的p型区域；罩在除所述光电二极管(D1)的光敏感区域以外的位置上的遮光结构与构成光电二极管(D1)的负极的n型区域间设置有完整的环状接触，仅在引出光电二极管(D1)正极的引线的位置留有开口。
进一步，所述像素单元电路包括光电二极管(D1)、信号存储电容(C1)、曝光开始控制晶体管(M1)、曝光结束控制晶体管(M2)、复位晶体管(M3)、读出缓冲与选择电路(M4)(M5)；信号存储电容(C1)的一端连接光电二极管(D1)的正极或负极、曝光开始控制晶体管(M1)的漏极、复位晶体管(M3)的漏极或源极，另一端连接曝光结束控制晶体管(M2)的漏极以及读出缓冲与选择电路中的读出缓冲晶体管(M4)的栅极。
进一步，所述像素单元电路包括光电二极管(D1)、信号存储电容(C1)、曝光开始控制NMOS晶体管(M1)、曝光结束控制NMOS晶体管(M2)、复位PMOS晶体管(M3)、读出缓冲晶体管(M4)、读出选择晶体管(M5)以及电源退耦电容；光电二极管(D1)的负极连接供电电源正极；信号存储电容(C1)的一端连接光电二极管(D1)的正极、曝光开始控制晶体管(M1)的漏极以及复位晶体管(M3)的漏极，另一端连接曝光结束控制晶体管(M2)的漏极以及读出缓冲晶体管(M4)的栅极。
进一步，所述曝光结束控制NMOS晶体管(M2)为位于深n阱中的隔离p阱里的隔离体端口NMOS晶体管。
进一步，还具有高速全局同步快门，用于控制曝光开始和曝光结束的电脉冲信号在像素阵列外部产生并分配，并通过多个相同或相近似的位于像素阵列内部的快门信号传输电路最终传递到每一个像素中；所述快门信号传输电路由一系列连接为树状拓扑的CMOS逻辑电路缓冲器组成；每个信号传输电路占据像素阵列中的一列或一行的位置。
进一步，还具有高速全局同步快门，用于传输控制曝光开始和曝光结束的电脉冲信号的信号传输电路的电源电压在曝光前很短的时间以及曝光中被短暂升高至大于其正常工作电压的较高电压。
同时，本发明还提供了一种半导体影像传感器，其像素单元电路包括光电二极管(D1)、信号存储电容(C1)、曝光开始控制晶体管(M1)、曝光结束控制晶体管(M2)、复位晶体管(M3)、读出缓冲与选择电路(M4)(M5)；所述信号存储电容(C1)的一端连接光电二极管(D1)的正极或负极、曝光开始控制晶体管(M1)的漏极、复位晶体管(M3)的漏极或源极，另一端连接曝光结束控制晶体管(M2)的漏极以及读出缓冲与选择电路。
进一步，像素阵列的每一个像素单元电路中包含至少一个半导体光电二极管(D1)；在像素阵列内部中的除光电二极管(D1)的光敏感区域以外的位置上，罩有由不透明导电材料构成的遮光结构；所述遮光结构与构成光电二极管(D1)一极的由半导体材料构成的区域之间设置有环状接触面，仅在引出光电二极管(D1)另外一极的引线的位置留有小开口；在拓扑结构上，所述遮光结构在像素阵列内部仅在每个所述环状接触面内部以及所述小开口处具有孔洞。
进一步，所述像素单元电路包括光电二极管(D1)、信号存储电容(C1)、曝光开始控制NMOS晶体管(M1)、曝光结束控制NMOS晶体管(M2)、复位PMOS晶体管(M3)、读出缓冲晶体管(M4)、读出选择晶体管(M5)以及电源退耦电容；光电二极管(D1)的负极连接供电电源正极；信号存储电容(C1)的一端连接光电二极管(D1)的正极、曝光开始控制晶体管(M1)的漏极以及复位晶体管(M3)的漏极，另一端连接曝光结束控制晶体管(M2)的漏极以及读出缓冲晶体管(M4)的栅极。
本发明通过使用导通时工作于线性区的NMOS管而不是PMOS管作为高速通路上的开关器件，以及在曝光前的很短时间内和曝光中短暂提高快门控制信号传输电路的电源电压和NMOS管的栅极电压，提高了器件的时间分辨能力。
本发明通过将像素单元电路需要的快门控制信号设计为在曝光开始和曝光结束时仅单向变动的信号，比如对地电压依次快速下降的Vstart和Vend信号，简化了生成快门控制信号的驱动电路也就是信号传输电路的设计，间接提高了器件的时间分辨能力。
本发明通过对信号保持晶体管的充分遮光以及充分屏蔽光生载流子而实现很高的快门效率。
本发明在像素矩阵中，间隔地牺牲多行或多列像素，将其替换为快门控制信号传输电路，与使用嵌入在像素矩阵之中的快门控制信号传输电路相比，提高了影像传感器的分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例1像素单元电路的等效原理图；
图2为本发明光电二极管D1的横截面示意图；
图3为本发明影像传感器实施例1的结构框图；
图4为本发明影像传感器实施例1的像素阵列中占据某一列像素位置的快门信号传输电路(时钟树)等效原理图；
图5为本发明实施例3像素单元电路的等效原理图；
图6为本发明实施例4像素单元电路的等效原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明超高速全局快门半导体影像传感器使用0.5微米CMOS混合信号工艺实现。
[实施例1]
图1是本实施例中像素单元电路的等效原理图，其中，光电二极管D1使用p+/n阱光电二极管，p+区域边长为7微米，像素间距24微米。电容C1为信号存储电容，使用多晶硅—多晶硅电容实现。电容C2为电源退耦电容，使用多晶硅栅—n+电容，即耗尽型NMOS管电容。M1、 M2分别为曝光开始控制晶体管和曝光结束控制晶体管，M3为复位晶体管，M4与M5组成读出缓冲与选择电路。
本实施例中，光电二极管D1的横截面如图2所示。为了充分屏蔽杂散光，特别是对M2的漏极屏蔽杂散光，除了光电二极管D1的位置留有开口外，其它位置均被由顶层金属构成的遮光层覆盖。顶层金属构成的遮光层的开口处的边缘连接有连接到n阱的，由连续的其它层布线金属环、连续的过孔沟槽环、连续的接触孔沟槽环构成的环状遮光结构，此环状遮光结构仅在光电二极管阳极引线的位置留有开口，用作光电二极管阳极引线的覆盖有钨化硅的多晶硅导线从此开口中通过。晶体管M1、M2栅极为方形环状，环心为漏极，晶体管M3、M4、M5的大小接近最小允许尺寸。所有像素的Vreset、Vstart、Vend分别连在一起，每一行像素的Vselect连在一起，每一列像素的Vout连在一起。
等待快门触发信号时，像素电路的输入端Vselect为低电平，其它输入端Vreset、Vstart、Vend为高电平，此时来自光电二极管D1的光电流通过M1流入到地。当触发后，曝光开始时，Vstart转为低电平，此时之后来自光电二极管D1的光电流给C1充电。曝光结束时，Vend转为低电平，此后C1存储的电荷保持不变。当曝光结束数纳秒或更久以后，Vreset转为低电平，C1的上极板，即D1的阳极，被拉到电源电压VDD。此后，通过将选中行的像素的Vselect逐一置为高电平，从而将选中的像素行通过Vout逐一读出。
在本实施例中，当快门控制信号Vend下降时，晶体管M2的漏极电位将因其栅极和漏极间的分布电容的存在而下降。如果晶体管M2的漏极电位因此下降到比约-0.7 V更低的程度，则此时衬底和M2的漏极间的pn结将导通且导通电流较大，从而导致较大的相对随机噪声以及小信号输入时较大的非线性。因此，在本实施例中，晶体管M1、M2的栅极宽度不能过大，这限制了其时间分辨能力的进一步提高。
在本实施例中，像素列的Vout 通过模拟多路选择器、恒流源、增加约0.6V的电平移位电路、模拟电压缓冲器后，输出到影像传感器芯片外部。快门信号Vstart、Vend可以设置为从芯片外部输入，或者由触发信号通过电压控制延时器产生。其中，触发信号可设置为来自芯片外部的电信号，或者来自芯片内部的一个面积较大的接收光触发信号用光电二极管。
在像素矩阵外生成的快门信号Vstart和Vend，在像素矩阵外经过信号传输电路进行均匀的横向分配后，通过多个位于像素阵列内部的信号传输电路最终传输到每一个像素中。信号传输电路由一系列连接为树状拓扑的CMOS逻辑电路缓冲器组成。图3示出了本发明影像传感器的结构框图。每个像素内的信号传输电路占据像素阵列中的一列的位置，之间的间隔为8个像素列。相近的两列信号传输电路分别用于传输Vstart和Vend信号。图4示出了本发明影像传感器中占据了某一列像素的位置的快门信号传输电路(时钟树)以及组成此快门信号传输电路的CMOS逻辑电路缓冲器的等效电路原理图。在本实施例中，组成快门信号传输电路的CMOS逻辑电路缓冲器是不平衡的，其第一级CMOS反相器的PMOS管(图4中的MP1)的栅极宽度比本级的NMOS管（MN1）的栅极宽度更大，而其第二级也就是末级CMOS反相器的NMOS管(图4中的MN2)的栅极宽度比本级的PMOS管(MP2)的栅极宽度更大，因此其输出具有快的下降沿和缓慢的上升沿。
本实施例的半导体影像传感器，在曝光结束后、信号读出前的暗信号较大，为0.7V/s，可达到约75皮秒的最短时间分辨率，动态范围超过5000倍，并且其电子快门关闭后信号读出之前对405纳米峰值波长的激光二极管发出的光的残留感光可低至八千万分之一。然而，在本实施例中，图像信号是高速且并行读出的，在一定程度上将增加相机系统的电路复杂度，以及读出时的功耗。
[实施例2]
实施例1使用标准CMOS混合信号工艺实现的超高快门速度全局快门半导体影像传感器仅对短波长可见光及紫外线有极好的快门效率，但对650纳米红光的残留感光则高达一万四千分之一。
而本实施例的超高快门速度全局快门半导体影像传感器使用三阱CMOS混合信号工艺，采用内含隔离p阱的深n阱的CMOS混合信号工艺实现。其中，在图1所示的像素单元电路的等效原理图，曝光结束控制NMOS晶体管M2的体端口p阱为位于连接到高电位的深n阱中的接地的隔离p阱，该深n阱下方为接地的p型衬底。将M2的体端口p阱用深n阱隔离屏蔽的目的是屏蔽杂散光生载流子，从而进一步提升快门效率，特别是提升针对长波长可见光的快门效率。
[实施例3]
在实施例2中，如果将曝光结束控制晶体管M2的衬底隔离p阱连接到低于地的电位而不是地并增加相应的电源退耦电容，虽然也可以降低暗电流信号，但暗电流降低的程度有限且对成像传感器性能也有影响。同时，此电源退耦电容将占用大量芯片面积。
图5是实施例3中像素单元电路的等效原理图。M2的源极连接到由晶体管M6、M7组成的CMOS反相器的输出上，而不是直接连接到地。M7为最短栅长，大栅宽的NMOS晶体管。当曝光结束后数纳秒或更久以后，Vreset转为低电平，M6、M7组成的反相器输出端即M2的源极端的电位升高，从而大幅度降低流经关断状态的M2的暗电流。
本实施例所述影像传感器，可以使用标准混合信号CMOS工艺制作，也可以使用三阱CMOS混合信号工艺制作。当使用三阱CMOS混合信号工艺制作时，其曝光结束控制晶体管M2的衬底p阱为位于深n阱中的隔离p阱。此深n阱连接到高电位，此隔离p阱连接到地。本实施例适合于相机系统电路复杂度和功耗受限，不能实现高速数据读出，因此要求曝光结束后、信号读出之前的暗电流信号尽可能小的应用。
[实施例4]
实施例1中的使用0.5微米CMOS工艺制作的超高快门速度全局快门半导体影像传感器能达到约75皮秒的时间分辨能力。本实施例的超高快门速度全局快门半导体影像传感器通过结合使用纳米CMOS工艺和过驱动开关场效应晶体管的栅极等，可达到1皮秒左右的时间分辨能力。
本实施例的超高快门速度全局快门半导体影像传感器使用28纳米或14纳米技术节点的三阱全耗尽绝缘体上硅CMOS工艺实现。图6是本实施例中像素单元电路的等效原理图。本实施例中光电二极管D1为指叉状二极管，使用绝缘体上硅层或绝缘体上硅锗层制作，对紫外线或紫外线及可见光敏感。M1、M2的栅长接近最短允许尺寸，M1的等效栅宽为M2的2倍；传输Vstart的信号传输电路树的末端的驱动能力，也是传输Vend的信号传输电路树的末端的驱动能力的2倍。在等待触发时，传输Vstart、Vend的信号传输电路的供电电压为约零点几伏特的正常核心电压，背栅Vbg的电压为0或较高电压。在触发后传输Vstart、Vend的信号传输电路的供电电压在短时间内被设置为超过一伏特到二伏特的较高电压，此时像素电路的输入端Vstart、Vend的电压也因此升高至此较高电压，此较高电压总计仅维持不超过纳秒级别的时间。在等待预先设置好的短暂时间后，此时信号传输电路的供电电压等已稳定，像素Vstart、Vend的电压被信号传输电路依次快速拉低完成曝光过程。此曝光过程也可由二次触发信号引发，但如果二次触发信号没有在最迟允许时刻以前到来，则信号传输电路的供电电压应该下降为正常供电电压，且芯片的最高触发频率应被限制以保护此影像传感器芯片。在曝光结束后，Vreset的电压由正常电源电压转为0，背栅Vbg的电压由0或较高电压转为负值。在曝光结束后将背栅Vbg的电压转为负值可减小此时的暗电流。
本实施例所述影像传感器，可达到1皮秒左右的最短时间分辨率，与当前工作于单次曝光模式的可见光电真空条纹相机的最佳时间分辨能力相近，且具有大的动态范围，有望成为一种在科学研究和技术研发中高速摄影设备的核心器件。
以上所述仅为本发明的几个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种半导体影像传感器，其像素阵列的每一个像素单元电路中包含至少一个半导体光电二极管(D1)，其特征在于：在像素阵列内部中的除所述光电二极管(D1)的光敏感区域以外的位置上，罩有由不透明导电材料构成的遮光结构；所述遮光结构与构成光电二极管(D1)一极的由半导体材料构成的区域之间设置有环状接触面，仅在引出光电二极管(D1)另外一极的引线的位置留有开口；在拓扑结构上，所述遮光结构在像素阵列内部仅在每个所述环状接触面内部以及所述开口处具有孔洞；
所述像素单元电路包括光电二极管(D1)、信号存储电容(C1)、曝光开始控制晶体管(M1)、曝光结束控制晶体管(M2)、复位晶体管(M3)、读出缓冲晶体管(M4)与读出选择晶体管(M5)；所述信号存储电容(C1)的一端连接光电二极管(D1)的正极或负极、曝光开始控制晶体管(M1)的漏极、复位晶体管(M3)的漏极或源极，另一端连接曝光结束控制晶体管(M2)的漏极以及读出缓冲晶体管(M4)的栅极。
2.如权利要求1所述的半导体影像传感器，其特征在于，每一个像素单元电路中所包含的半导体光电二极管(D1)的负极为位于p型导电类型区域中的n型区域，正极为位于所述n型区域中的p型区域；罩在除所述光电二极管(D1)的光敏感区域以外的位置上的遮光结构与构成光电二极管(D1)的负极的n型区域间形成完整的环状接触，仅在引出光电二极管(D1)正极的引线的位置留有开口。
3.如权利要求2所述的半导体影像传感器，其特征在于，所述曝光开始控制晶体管(M1)是NMOS晶体管，所述曝光结束控制晶体管(M2)是NMOS晶体管，所述复位晶体管(M3)是PMOS晶体管，所述光电二极管(D1)的负极连接供电电源正极，所述信号存储电容(C1)的一端连接光电二极管(D1)的正极、曝光开始控制晶体管(M1)的漏极以及复位晶体管(M3)的漏极，另一端连接曝光结束控制晶体管(M2)的漏极以及读出缓冲晶体管(M4)的栅极；所述像素单元电路还包括电源退耦电容。
4.如权利要求3所述的半导体影像传感器，其特征在于，所述曝光结束控制晶体管(M2)为位于深n阱中的隔离p阱里的隔离体端口NMOS晶体管。
5.如权利要求1所述的半导体影像传感器，其特征在于，还具有高速全局同步快门，用于控制曝光开始和曝光结束的电脉冲信号在像素阵列外部产生并分配，并通过多个相同或相近似的位于像素阵列内部的快门信号传输电路最终传递到每一个像素中；所述快门信号传输电路由一系列连接为树状拓扑的CMOS逻辑电路缓冲器组成；每个快门信号传输电路占据像素阵列中的一列或一行的位置。
6.如权利要求1所述的半导体影像传感器，其特征在于，还具有高速全局同步快门，用于传输控制曝光开始和曝光结束的电脉冲信号的信号传输电路的电源电压在曝光前短时间内以及曝光中被短暂升高至大于其正常工作电压的较高电压。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610413090.6A CN107492558B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
| CN201910969649.7A CN110634902B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610413090.6A CN107492558B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910969649.7A Division CN110634902B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107492558A CN107492558A (zh) | 2017-12-19 |
| CN107492558B true CN107492558B (zh) | 2019-11-15 |
Family
ID=60642660
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610413090.6A Active CN107492558B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
| CN201910969649.7A Active CN110634902B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910969649.7A Active CN110634902B (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种超高速快门半导体影像传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (2) | CN107492558B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023230826A1 (zh) * | 2022-05-31 | 2023-12-07 | 京东方科技集团股份有限公司 | 像素电路、显示面板、驱动方法和显示装置 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7102117B2 (en) * | 2004-06-08 | 2006-09-05 | Eastman Kodak Company | Active pixel sensor cell with integrating varactor and method for using such cell |
| JP4325557B2 (ja) * | 2005-01-04 | 2009-09-02 | ソニー株式会社 | 撮像装置および撮像方法 |
| KR100660866B1 (ko) * | 2005-06-20 | 2006-12-26 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서에서 저잡음 글로벌 셔터 동작을 실현한 픽셀회로 및 방법 |
| JP2008011298A (ja) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Fujitsu Ltd | 固体撮像装置及びその制御方法 |
| US7655966B2 (en) * | 2008-03-19 | 2010-02-02 | International Business Machines Corporation | High efficiency CMOS image sensor pixel employing dynamic voltage supply |
| US8451354B2 (en) * | 2010-05-17 | 2013-05-28 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | TDI image sensor in CMOS technology with high video capture rate |
| US8836835B2 (en) * | 2010-10-04 | 2014-09-16 | International Business Machines Corporation | Pixel sensor cell with hold node for leakage cancellation and methods of manufacture and design structure |
| CN102222677B (zh) * | 2011-06-22 | 2016-06-29 | 上海华虹宏力半导体制造有限公司 | 图像传感器的遮光结构、图像传感器 |
| JP2014216975A (ja) * | 2013-04-30 | 2014-11-17 | ソニー株式会社 | 露光制御装置、撮像装置および露光制御方法 |
| FR3010229B1 (fr) * | 2013-08-30 | 2016-12-23 | Pyxalis | Capteur d'image avec bruit ktc reduit |
| KR20160010986A (ko) * | 2014-07-21 | 2016-01-29 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 이미지 센서 |
-
2016
- 2016-06-13 CN CN201610413090.6A patent/CN107492558B/zh active Active
- 2016-06-13 CN CN201910969649.7A patent/CN110634902B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107492558A (zh) | 2017-12-19 |
| CN110634902A (zh) | 2019-12-31 |
| CN110634902B (zh) | 2021-08-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7467587B2 (ja) | 撮像装置及び電子機器 | |
| CN207369146U (zh) | 图像像素和图像传感器 | |
| JP7335990B2 (ja) | 撮像装置 | |
| CN110651468B (zh) | 摄像装置及电子设备 | |
| KR101466845B1 (ko) | 고체 촬상 장치 및 카메라 | |
| US9070611B2 (en) | Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors | |
| CN101312205A (zh) | 固态成像装置及照相机 | |
| JP2021182781A (ja) | 半導体装置 | |
| CN102970493A (zh) | 多重转换增益图像传感器的多电平复位电压 | |
| TWI704812B (zh) | 用於整體快門像素儲存節點之可變偏壓隔離結構 | |
| EP2752877A2 (en) | Unit pixel and light receiving element for image sensor | |
| KR101905979B1 (ko) | 솔라 셀 기능을 갖는 이미지 센서 및 이를 이용한 전자 기기 | |
| CN104979365A (zh) | 图像传感器像素及图像传感器 | |
| CN107566764A (zh) | 前照式红外图像传感器的光电门及其制造方法 | |
| US10680032B2 (en) | Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device | |
| US20220254822A1 (en) | Uttb photodetector pixel unit, array and method | |
| US20140263952A1 (en) | High performance digital imaging system | |
| TWI523214B (zh) | 用於影像感測器之像素單元及成像系統 | |
| Arai et al. | A 252-${\rm V/lux}{\cdot}{\rm s} $, 16.7-Million-Frames-Per-Second 312-kpixel Back-Side-Illuminated Ultrahigh-Speed Charge-Coupled Device | |
| CN107492558B (zh) | 一种超高速快门半导体影像传感器 | |
| JP6308404B2 (ja) | ソーラーセルの機能を持つイメージセンサー及びこれを用いた電子機器 | |
| WO2018185587A1 (ja) | 撮像装置および電子機器 | |
| WO2022023859A1 (ja) | 撮像装置、電子機器および移動体 | |
| WO2021191719A1 (ja) | 撮像装置および電子機器 | |
| JP2019009640A (ja) | 撮像装置および電子機器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |