CN1097315C - 固态图像拾取器件及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一个具有一个用于从携带图像的光产生电荷分组的光电二极管(36)，形成在光电二极管之下的垂直溢流漏极(32/33)，通过传输门晶体管(50)有选择地连接于光电二极管的电荷转移沟道区(37)，分别以电容方式耦合于所述电荷转移沟道区的电阻性栅极(49a)，和一个连接于电阻性栅极远端和更靠近一个水平电荷转移单元(46)的电阻性栅极的近端的脉冲信号源(RG1/RG2)的固态图像拾取器件，在电荷分组转移到电荷转移沟道区之后脉冲信号源在电荷转移沟道区中产生电位梯度，以使电荷分组能够通过水平电荷转移单元输送而不用大的水平电荷转移信号。
Description
本发明涉及一种固态图像拾取器件以及控制固态图像拾取器件的方法，更具体地讲，本发明涉及一种具有电阻性栅极垂直电荷转移单元的固态图象拾取器件及其控制方法。
行间型电荷耦合器件是固态图象拾取器件的一个典型的例子。行间型电荷耦合器件包括一个光电二极管阵列，多个垂直移位寄存器和一个水平移位寄存器。光电二极管阵列具有多列光电二极管，并且垂直移位寄存器设置在各列光电二极管之间。一个电荷转移区和电荷转移区上面的转移电极形成垂直移位寄存器，并且对转移电极提供一个电荷转移信号以便顺序地改变转移电极下的电位，垂直移位寄存器把全部电荷分组或每隔一个的电荷分组从相关的光电二极管列输送到水平移位寄存器。
垂直移位寄存器分阶段地转移电荷分组，并且打算把所有从相关二极管列供给的电荷分组累计起来。但是，当元件缩小时，将不能提供足够的容量。
HendricHeyns等人在“电阻性栅极CTD区域图像传感器(′TheResistive Gate CTD Area-Image Sensor′，IEEE-Transaction on ElectronDevices，vol.ED-25，No.2，第135至139页，1978年2月)”公开了一种解决这种问题的方法。根据此文，在电阻性栅极的两端提供一个恒定的电位差，以便沿电阻性栅极产生一个梯度电荷转移沟道，并且通过该梯度电荷转移沟道转移一个电荷分组。对每行光电二极管进行电荷转移，并且打算用每个垂直电荷转移元件从一个光电二极管转移电荷分组。为此，可以减小分配给垂直电荷转移元件的区域。这导致了分配给光电二极管区域的增大。
图1和2示出了现有技术的具有电阻性栅极电荷转移器件或元件的区域图像传感器，图3和4示出了垂直电荷转移元件和光电二极管。为了更好地理解，从图1和3所示的布置中以及图2所示的结构中除去了一个光屏蔽板。现有技术的区域图像传感器制造在一个p型半导体芯片1上，并且光电二极管2和n型电荷转移区3形成在p型半导体芯片1的表面部分。光电二极管2有一种MOS(金属-氧化物-半导体)结构，并且光电二极管2排列成行和列。光电二极管2的列与n型电荷转移区3交替排列，并且每列光电二极管2与n型电荷转移区3之一相关。在图3中，用阴影线示出n型电荷转移区3。重掺杂p型沟道截断环4使光电二极管2与非相关n型电荷转移区3电隔离，并提供了用于产生光电荷的p-n结。沟道电位设计为2伏左右。
p型半导体基片1的主表面由一绝缘层5覆盖，并且在绝缘层5上刻蚀高电阻多晶硅的电阻性栅极6。电阻性栅极6具有迭加在n型沟道电荷转移区3之上的梯度电位电极部分6a和连接在梯度电位电极部分6a和恒压电源7a/7b之间的公用电极部分6b/6c。恒压电源7a通过公用电极部分6b向梯度电位电极部分6a施加高电位，其它恒压电源7b通过其它的公用电极部分6c向梯度电位电极部分6a的其它端施加低电位。结果，沿梯度电位电极部分6a产生梯度电位。梯度电位电极部分6a，绝缘层5和n型电荷转移区3组合形成了每个垂直电荷转移元件。
电阻性栅极6由一个绝缘层8覆盖，并且在绝缘层8刻蚀累积电极9。累积电极9垂直于梯度电位电极部分6a延伸，并且分别与光电二极管2的行相关。每个累积电极9每隔一段距离与相关行的光电二极管2上的绝缘层5保持接触，携带图像的光入射到光电二极管2的耗尽区。入射的光产生电荷分组，电荷分组在与绝缘层5保持接触的累积电极9下面的势阱中累积。
累积电极9连接于一个垂直移位寄存器10，并被有选择地驱动以读出电位。当垂直移位寄存器10改变一个累积电极9以读出电位时，电荷分组被分别从相关行的光电二极管2读出到n型电荷转移区3，并且电极部分6a中的梯度电位将电荷分组向水平电荷转移元件11移动。
传输门电极12a/12b在邻近水平电荷转移元件11的地方在n型电荷转移区3的上方沿伸，并且在传输门电极12a/12b之间延伸着一个累积电极13。累积电极13覆盖着一个绝缘层8，并且与梯度电位电极部分6a隔开，转移电极12a/12b设置在累积电极13的两侧。
累积电极9和转移电极12a/12b由一个透明绝缘层14覆盖(见图4)，并且在透明绝缘层14上图形化一个铝的遮光层15。遮光层15有孔15a，光电二极管2暴露于孔15a。遮光层15防止光入射到n型电荷转移区3。
n型电荷转移区3连接于抗散焦漏极区16，一个抗散焦电极17把过量的光电荷从n型电荷转移区3扫向抗散焦漏极区16。水平电荷转移元件11连接于一个输出电路18，并且从电路18输出一个图像信号。
公用电极部分6c和6b之间的电位差产生沿梯度电位电极部分6a的梯度电位，并且梯度电位使得势阱向传输门12a逐渐升高。电荷分组CP从一个光电二极管2转移到n型电荷转移区3，并由于梯度电位沿n型电荷转移区3转移。传输门12a首先使其下的电位成为高电平，并使电荷分组CP在累积电极13下的势阱中累积。接着，传输门12b使得其下的电位变为高电平，而累积电极13使得其下的电位低于传输门12b下的电位。随后，电荷分组CP流向水平电荷转移元件11。水平电荷转移元件11把电荷分组CP传送到输出电路18，而输出电路18将电荷分组CP转换为相应的输出电位。
如果梯度电位电极部分6a是4毫米并且在电极6a下产生的沟道两端之间电位差是10伏，那么垂直电荷转移元件在20微秒内传送全部电荷分组。20微秒的时间周期短于NTSC标准中定义的63.5微秒的水平扫描时间。
图6示出了现有技术的区域图像传感器的电荷转移操作。P-STE，P-AB，P-TGA，P-Select，P-STG，P-TGB和P-H分别代表一个施加于所有累积电极9的用来改变光电二极管2中的累积阱的电位的电位信号，一个施加于抗散焦电极17的抗散焦信号，一个施加于转移电极12a的电位信号，一个有选择地施加于累积电极9的行选择信号，一个施加于累积电极13的电位信号，一个施加于转移电极12b的电位信号和一个施加于水平电荷转移元件11的栅极的电荷转移信号。
电位信号P-TGB从低电平VL-TGB转变为高电平VH-TGB，并在时间周期T1中保持在高电平VH-TGB。在VH-TGB的电位信号P-TGB使得其下的电位成为高电平，并把在先前水平消隐周期中读出的电荷分组传送到水平电荷转移元件11。电位信号P-TGB恢复到低电平，并使累积电极13下的势阱与水平电荷转移元件11电隔绝。
携带图像的光照射在光电二极管阵列2上，光电二极管2产生与携带图像的光的部分的强度成正比的光电载流子，并使光电载流子累积在其中。
在时间T2把抗散焦信号P-AB从高电平VH-AB转变为低电平VL-AB，并使n型电荷转移区3与抗散焦漏极区16电隔离。在时间T2电位信号P-TGA也从低电平VL-TGA转变为高电平VH-TGA，并从n型电荷转移区3和传输门12a下的势阱之间消除势垒。
在时间T2行选择信号从高电平VH-Select转变为低电平VL-Select，并把光电载流子作为电荷分组从选定的光电二极管2行读取到n型电荷转移区3。把行选择信号P-Select恢复到高电平VH-Select。梯度电位沿n型电荷转移区3转移电荷分组，并把电荷分组累积在累积电极13下的势阱中。传输门12b下的势垒使得电荷分组不能流入水平电荷转移元件11。
在时间周期T3期间反复地向水平电荷转移元件11的栅极施加电荷转移信号P-H，并把先前的电荷分组转移到输出电路18。
在把先前的电荷分组转移到输出电路18的同时，电位信号P-TGA在时间T4恢复为高电平VH-TGA，抗散焦信号P-AB同时地转变为低电平VL-AB，并且在时间T4也把电位信号P-STE转变为低电平VL-STE。传输门12a下的势垒使累积电极13下的势阱与n型电荷转移区3相互隔绝，并把n型电荷转移区3连接于抗散焦漏极区16。光电二极管2中的势垒变浅，过量的光电载流子被扫入n型电荷转移区3。梯度电位沿n型电荷转移区3转移剩余的光电载流子，并把过量的光电载流子扫入抗散焦漏极区16。
在时间T5电位信号P-STE恢复到高电平VH-STE，并使光电二极管2中的势阱变高。然后，携带图像的光产生光电载流子，并使光电载流子再次在光电二极管2中累积。
在时间周期T6期间，电荷分组被从累积电极13下的势阱转移到水平电荷转移元件11，并在时间周期T7期间被转移到输出电路18。
现有技术的区域图像传感器存在着从输出电路18输出的电位信号失真的问题。如图6中所示，在水平电荷转移元件11向输出电路18转移电荷分组的同时，抗散焦信号P-AB把剩余的光电载流子扫入抗散焦漏极区16，并且抗散焦信号P-AB和电位信号P-TGA/P-STE的电位变化对从输出电路18输出的电位信号具有电影响。使得输出电位信号变形，和不能代表入射在光电二极管阵列2上的图像。
因此，本发明的一个重要目的是要提供一种不受抗散焦操作影响的固态图像拾取器件。
本发明的另一个重要目的是要提供一种控制固态图像拾取器件的方法。
本发明人仔细考虑了这一问题，并且注意到垂直溢流漏极将解决这一问题。垂直溢流漏极直接将过量光电载流子从光电二极管扫入半导体基片。但是，当把垂直溢流漏极与具有电阻性栅极的垂直电荷转移元件组合在一起时，这种组合需要高电平驱动信号。具体地讲，具有垂直溢流漏极的固态图像拾取器件要求从光电二极管读取到垂直移位寄存器的电位信号高于行选择信号。如果要求光电二极管有大的容量，那么读出电位信号将更高。较高的读出电位信号导致累积电极和水平电荷转移元件的电荷转移区下的势阱的电位高于现有技术的电平，因此，输出电路需要在复位漏极中有较高的电位。为了保持复位漏极中的电位，必须使累积电极上的电位信号的振幅和水平电荷转移元件的电荷转移信号的振幅宽于现有技术的电荷转移器件的振幅。
在这种情况下，本发明人集中其精力于控制具有垂直溢流漏极和电阻性栅极电荷转移单元的固态图像拾取器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造在一个半导体器件上的固态图像拾取器件，其包括多个用于从携带图像的光产生电荷分组的光-电转换器件，多个具有相应的电荷转移沟道区和分别以电容方式耦合于电荷转移沟道区的相应的电阻性栅极的电阻性栅极电荷转移单元，多个具有分别连接在多个光-电转换器件和电荷转移沟道区之间的相应的第一传输门沟道区并且有选择地在导通状态和截止状态之间改变以向电荷转移沟道区转移特定电荷分组的第一传输门元件，多个可连接于电荷转移沟道区用于累积电荷分组的电荷累积势阱，一个可电连接于多个电荷累积势阱的用于向一个输出电路转移电荷分组的水平电荷转移单元，一个连接于电阻性栅极的第一端和比第一端更靠近水平电荷转移单元的电阻性栅极的第二端的电位梯度产生器件，和一个形成在多个光-电转换器件之下的用于从多个光-电转换器件接收过量电荷的垂直溢流漏极。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制包括多个用于从携带图像的光产生电荷分组的光-电转换器件，多个具有相应的电荷转移沟道区和分别以电容方式耦合于电荷转移沟道区的相应的电阻性栅极的电阻性栅极电荷转移单元，多个具有分别连接在多个光-电转换器件和电荷转移沟道区之间的相应的第一传输门沟道区并且有选择地在导通状态和截止状态之间改变以向电荷转移沟道区转移特定电荷分组的第一传输门元件，多个可连接于电荷转移沟道区用于累积电荷分组的电荷累积势阱，一个可电连接于多个电荷累积势阱的用于向一个输出电路转移电荷分组的水平电荷转移单元，和一个连接于电阻性栅极的第一端和比第一端更靠近水平电荷转移单元的电阻性栅极的第二端的电位梯度产生器件的固态图像拾取器件的方法，该方法包括步骤：a)分别使第一端下的电荷转移沟道区中的电位高于导通状态下的第一传输门沟道区中的电位，以便通过第一传输门沟道区向电荷转移沟道区转移特定的电荷分组，b)将开关元件改变为截止状态，和c)把第一端下的电荷转移沟道区中的电位改变为低于第一端下的电荷转移沟道区中在步骤a)的电位和第二端下的电荷转移沟道区中的电位并且高于在截止状态的第一传输门沟道区中的电位的某一电平，以便向多个电荷累积势阱转移特定的电荷分组。
根据本发明的又一个方面，提供了一种控制包括多个用于从入射光产生电荷分组的光-电转换元件，多个分别具有相应的电荷转移沟道区和相应的以电容方式耦合于电荷转移沟道区的电阻性栅极的电阻性栅极垂直电荷转移单元，多个分别具有连接在多个光-电转换元件和电荷转移沟道区之间的相应的第一沟道区和以电容方式耦合于第一沟道区的第一传输门电极的用于分别从选择的光-电转换元件向电荷转移沟道区转移特定电荷分组的第一传输门元件，一个可电连接于电荷转移沟道区用于向一个输出电路转移电荷分组的水平电荷转移单元，和一个连接于电阻性栅极的第一端和比第一端更靠近水平电荷转移单元的电阻性栅极的第二端的控制器件的固态图像拾取器件的方法，该方法包括步骤：a)从控制器件分别向第一端和第二端提供一个第一电位和一个第二电位，以便增加选择的光-电转换元件与电荷转移沟道区之间的电位差，b)从控制器件向第一传输门电极提供一个第三电位，使得能够把电荷分组从选择的光-电转换器件通过第一沟道区向电荷转移沟道区转移，和c)从控制器件向第一端提供第四电位，以便沿电荷转移沟道区增加电位梯度，因而使多个电阻性栅极垂直电荷转移单元能够向水平电荷转移单元转移电荷分组。
结合附图，通过以下的说明可以对固态图像拾取器件和方法的特征和优点有更清楚的理解，其中：
图1是显示现有技术的区域图像传感器的布置的平面图；
图2是沿图1的A-A线的剖视图，显示了现有技术的区域图像传感器的结构；
图3是显示与现有技术的区域图像传感器结合的光电二极管和垂直电荷转移元件的布置的平面图；
图4是沿图3的B-B线的剖视图，显示了垂直电荷转移元件和光电二极管的结构；
图5是显示沿垂直电荷转移元件产生的导带的底缘的电位图；
图6是显示在现有技术的区域图像传感器中进行的电荷转移的定时图；
图7是显示根据本发明的固态图像拾取器件的布置的平面图；
图8是沿图7的C-C线的剖视图，显示了光电二极管，一个垂直溢流漏极和垂直电荷转移单元的结构；
图9是沿图7的D-D线的剖视图，显示了垂直电荷转移单元的结构；
图10是显示控制根据本发明的固态图像拾取器件的方法的定时图；
图11是显示电位沿电荷传播路径变化的视图；
图12是显示控制根据本发明的固态图像拾取器件的另一种方法的定时图；
图13是显示电位沿电荷传播路径变化的视图；
图14是显示根据本发明的另一个固态图像拾取器件的布置的平面图；
图15是显示控制图14中所示的固态图像拾取器件的方法的定时图。
参考附图中的图7，8和9，一个体现本发明的固态图像拾取器件制造在一个n型硅基片31上。为了更好的理解，从图7中所示的布置中除去了一个遮光层和一个电平间绝缘层。为了同样的目的，从图9中所示的结构中除去了遮光层，电平间绝缘层和转移电极。
在n型硅基片31的表面部分像一个梳子一样形成一个p型阱32，以及n型阱33和一个在n型阱33之间延伸的p型阱34。重掺杂p型杂质区35形成在n型阱33中，n型阱33和重掺杂p型杂质区35形成了光电二极管36。光电二极管36排列成行和列，并把携带图像的光转变为光电载流子。n型电荷转移沟道区37形成在p型阱34的表面部分，并且分别与光电二极管36的列相关。光电二极管36的列可通过p型阱32的表面部分分别与相关的n型电荷转移沟道区37实现电连接，和利用重掺杂p型沟道截断环区38与非相关n型电荷转移沟道区37实现电绝缘。
n型电荷转移沟道区37，重掺杂p型沟道截断环区38，重掺杂p型杂质区35和p型阱32的表面部分由氧化硅层39覆盖，并且氧化硅层39对携带图像的光是透明的。
在氧化硅层39上形成电阻多晶硅的梯度电位电极40，并且梯度电位电极40分别叠加在n型电荷转移沟道区37上。每个梯度电位电极，氧化硅层39和每个p型阱34中形成的n型电荷转移沟道区37作为一个整体构成一个电阻性栅极垂直电荷转移单元41，并且电阻性栅极垂直电荷转移单元41与光电二极管36交替排列。
一个第一脉冲线RG1连接于每个梯度电极40的一端，一个第二脉冲线RG2连接于梯度电极40的另一端。尽管在图7中没有示出，一个脉冲源连接于第一脉冲线RG1和第二脉冲线RG2，并在梯度电极40上产生梯度电位。电阻越大，电能消耗越小。但是，如果梯度电极40的电阻太大，就不能立即在梯度电极40中产生梯度电位。为此缘故，必须调节用于梯度电极40的材料的电阻率。现在假设梯度电极40是由电阻率为2毫欧.厘米范围的磷掺杂多晶硅形成的，梯度电极40的宽度为1微米，长度为4毫米，厚度为0.4微米，电阻为200千欧。当把10伏的电位差施加于梯度电极40时，梯度电极40允许50微安的电流流过梯度电极40。假设氧化硅层39是70毫微米厚，2pF的以电容方式耦合于梯度电极40，并且时间常数为0.4微秒。其结果是，脉冲前沿持续时间和脉冲后沿持续时间是0.9微秒。用这种方式，可以通过改变梯度电极的尺寸，栅极绝缘层的材料和栅极绝缘层的厚度来调节脉冲前沿持续时间和脉冲后沿持续时间。尽管在垂直消隐周期中第一脉冲信号PRG1的电位和第二脉冲信号PRG2的电位是变化的，但是可推荐把时间常数设计得尽可能的小。
n型电荷转移沟道区37延伸越过连接于第二电位源极线RG2的梯度电极40的端部，一个累积电极42和一个最后的电荷转移电极43以垂直于n型电荷转移沟道区37的方向在氧化硅层39上延伸。
n型电荷转移沟道区37汇合于一个在p型阱34中形成的n型电荷转移沟道区44，并且沿n型电荷转移沟道区44在氧化硅层39上形成电荷转移电极45。n型电荷转移沟道区44，氧化硅层39和电荷转移电极45作为一个整体构成了一个水平电荷转移单元46。累积电极42和电荷转移电极45由一个电平间绝缘层47覆盖，并且该电平间绝缘层47使累积电极42和电荷转移电极45与梯度电极40和最后的电荷转移电极43电绝缘。梯度电极40和最后的转移电极43由一个电平间绝缘层48覆盖。
在电平间绝缘层48上图形化有多晶硅的行选择线49，并且沿垂直于梯度电极40的方向延伸。每个行选择线49具有间隔一定距离的转移电极部分49a，并且该转移电极部分49a位于重掺杂p型杂质区35和n型电荷转移沟道区37之间的p型阱32的表面部分32a的上方。在图7中，表面部分32a用阴影线表示，并且与氧化硅层39和转移电极部分49a一起作为转移晶体管50使用。
行选择线49连接于行选择器51，行选择器51有选择地把行选择线49变化到一个作用电平。当把行选择线49中的一个变化到作用电平时，与其相关的转移晶体管50同时导通，使光电二极管的行与电阻性栅极垂直电荷转移单元41电连接。
适当地控制光电二极管36的垂直杂质分布，以便在存在一定电位时完全耗尽。在p型阱32与n型阱33之间形成势垒，并且采用的P型阱32的电位高于转移晶体管50的沟道区32a的电位。在这种情况下，n型阱33，p型阱32和n型基片31作为一个整体构成了一个垂直溢流漏极OFD。
当在光电二极管36中产生了过量的光电载流子时，过量的光电载流子越过n型阱33和p型阱32之间的势垒。因此，过量的光电载流子不会累积在光电二极管36中，并且n型阱33和基片31之间的势垒有效地限制了抗散焦现象。
行选择线49由一个电平间绝缘层52覆盖，并且在电平间绝缘层52上图形化一个铝的遮光层53。遮光层53使携带图像的光不能入射到电阻性栅极垂直电荷转移单元41上，并且该遮光层53上具有孔53a。光电二极管36暴露于孔53a，携带图像的光通过孔53a入射到光电二极管36的阵列上。
水平电荷转移单元46电连接于一个输出电路54，并响应用于向输出电路54转移电荷分组的水平电荷转移信号。输出电路产生代表每个电荷分组的量的输出电压信号OUT，并通过一个视频信号产生电路把输出电压信号OUT供给一个适当的显示器，以在屏幕上重放图像。
在这种情况下，第一/第二脉冲信号RG1/RG2的源和行选择器51作为一个整体构成了一个控制器件。第一实施例
以下参考附图10对控制体现本发明的固态图像拾取器件的方法进行说明。PRG1，PRG2，PTr，PSTG，PVLG和PH分别代表一个从第一脉冲线RG1供给的脉冲信号，一个从第二脉冲线RG2供给的脉冲信号，一个供给一个行选择线49的行选择信号，一个施加于累积电极42的累积信号，一个施加于最后的转移电极43的转移信号和一个供给水平电荷转移单元46的栅极45的电荷转移信号。这些信号PRG1，PRG2，PTr，PSTG，PVLG和PH在高电平VH-RG1/VH-RG2/VH-Tr/VH-VLG/VH-PH和低电平VL-RG1/VL-RG2/VL-Tr/VL-VLG/VL-PH之间变化。高电平VH-RG1低于低电平VL-RG2，并且根据电极下的掺杂浓度适当地调节其它高电平/低电平，以便累积或转移电荷分组。图11示出了在图9中所示的电荷分组的传播路径下的导带的底缘的变化。在下面的说明中，在与第一脉冲源极线RG1连接点之下的n型电荷转移沟道区37的端点在以下称为“远端”，在与第二脉冲源极线RG2连接点之下的另一端称为“近端”。
在时间t1转移信号PVLG从低电平VL-VLG转变为高电平VH-VLG，累积信号PSTG补偿地从高电平VH-STG转变为低电平VL-STG。最后的传输门43使先前存储在累积电极42下势阱中的电荷分组流入水平电荷转移单元46的n型电荷转移沟道区44中。在时间t2，转移信号PVLG恢复为低电平VL-VLG，在同一时间累积信号PSTG转变为高电平VH-STG。因此，在时间周期T1中，先前的电荷分组被转移到水平电荷转移单元46。
在时间t3，第一脉冲信号PRG1从低电平VL-RG1转变为高电平VH-RG1，并且第二脉冲信号PRG2也从低电平VL-RG2转变为高电平VH-RG2。在施加一个高电平VH-Tr下远端的沟道电位高于转移晶体管50的表面部分32a中的电位。高电平VH-RG1低于高电平VH-RG2，并且如图11中标为“t3”的底缘那样倾斜。
携带图像的光照射在光电二极管阵列36上，光电二极管36产生取决于携带图像的光的强度的光电载流子。光电载流子被累积在光电二极管36中，并且过量的光电载流子流过垂直溢流漏极。
在时间t4，行选择器51用行选择信号P-Tr把行选择线49中的一个转变为高电平VH-Tr，并且与之相关的转移晶体管50被导通，以便把光电载流子转移到n型电荷转移沟道区37。光电载流子在n型电荷转移沟道区37中形成电荷分组。在时间t5选定的行选择线49恢复到低电平VL-Tr。因此，在时间周期T2中电荷分组被转移到电阻性栅极垂直电荷转移单元41。
在时间t6，第一脉冲信号PRG1变为低电平VL-RG1，并且在远端的沟道电位转变为低于在时间t3时的电平，而高于在施加低电平VL-Tr下的表面部分32a中的电位。底缘如标为“t6”那样进一步倾斜。电荷分组通过n型电荷转移沟道区37转移到累积电极42下的势阱。如上所述，低电平VL-RG2高于高电平VH-RG1，并且远端与近端之间的电位差宽于对应于第一脉冲信号P-RG1的振幅与第二脉冲信号P-RG2的振幅的总和的沟道电位差。由于这个原因，电荷分组被传送到累积电极42下的势阱。
在时间周期T3期间，即在时间t7和t8之间，向水平电荷转移单元46的栅极45反复地施加电荷转移信号，先前的电荷分组被转移到输出电路54。输出电路54从电荷分组产生输出电压信号OUT，并将其输送到固态图像拾取器件的外面。
在时间t9，第二脉冲信号PRG2从高电平VH-RG2转变为低电平VL-RG2，并且近端与累积电极42下的势阱之间的电位的不连续性增加。
在时间t10，转移信号PVLG从低电平VL-VLG转变为高电平VH-VLG，并且也是在时间t10，累积信号PSTG从高电平VH-STG转变为低电平VL-STG。最后的传输门43使得存储在累积电极42下的势阱中的电荷分组流入水平电荷转移单元46的n型电荷转移沟道区44。在时间t11，转移信号PVLG被恢复到低电平VL-VLG，并且也是在时间t11，累积信号PSTG改变成为高电平VH-STG。因此，在时间周期T4中，累积电极42下的势阱与n型电荷转移沟道区44之间的势垒PB被消除，电荷分组被转移到水平电荷转移单元46。
第一脉冲信号P-RG1和第二脉冲信号P-RG2如同在时间t3中那样改变，并且从时间t13向输出电路54转移电荷分组。
从上述的说明中应当理解，第一和第二脉冲信号P-RG1/P-RG2在时间t0与时间t3之间和时间t3与时间t6之间改变了沟道电位。高电平VH-RG1的第一脉冲信号P-RG1和高电平的第二脉冲信号P-RG2使得n型电荷转移沟道区37的能级加深，并增大了光电二极管36的势阱与n型电荷转移沟道区37之间的电位差。结果是，光电载流子平稳地流到n型电荷转移沟道区37中。在处低电平VL-RG1的第一脉冲信号P-RG1使得在远端下的电荷转移沟道中的电位降低，并加大了沿n型电荷转移沟道区37的电位梯度。结果，把电荷分组输送到电荷转移沟道。
此外，在时间t9第二脉冲信号P-RG2转变为低电平VL-RG2，在处低电平VL-RG2的第二脉冲信号PRG2使得近端之下的电荷转移区中的电位变低。这导致了n型电荷转移沟道区37与累积电极42下的势阱之间的势垒高度的增加。因此，制造者不需增加转移信号PVLG的脉冲高度和累积信号PSTG的脉冲高度。第一和第二脉冲信号PRG1/PRG2的控制顺序允许制造者可以降低在输出电路54的复位漏极的电位，而不必增大电荷转移信号PH的振幅。第二实施例
图12和13示出了控制图7至9中所示的固态图像拾取器件的另一种方法。除了第二脉冲信号PRG2的行为之外，这种方法与第一实施例相同。因此，着重说明第二脉冲信号PRG2。第二脉冲信号PRG2具有等于第一脉冲信号RG1的高电平VH-RG1的低电平VL-RG2。
在第一实施例中，第二脉冲信号PRG2在时间t3从低电平VL-RG2转变为高电平VH-RG2。但是，第二实施例的第二脉冲信号PRG2在时间t6之前一直保持低电平的电位，并且在时间t6电位转变为高电平VH-RG2。因此，如图13中所示，在时间t3导带的底缘是水平的，并在时间t6产生电位梯度。在时间t9，第二脉冲信号RG2恢复到低电平VL-RG2，以便增加n型电荷转移沟道区37与累积电极42下的势阱之间的势垒高度。在图13中，在时间t3，t6和t9的底缘标为“t3”，“t6”和“t9”。
在这种情况下，光电载流子以水平底缘t3从光电二极管36转移到n型电荷转移沟道区37。当把光电二极管36和转移晶体管50按比例减小时，水平底缘t3是适当的，因为沿n型电荷转移沟道区37的电位差对转移晶体管50的影响较小。换言之，转移晶体管50从光电二极管36至电阻性栅极垂直电荷转移单元41的电荷转移特性是均匀的。
实施第二实施例的方法除了具有第一实施例的优点之外，还有上述的优点。第三实施例
实施第三实施例的方法用于图14中所示的固态图像拾取器件。除了一个转移电极60之外，图14中所示的固态图像拾取器件与图7中所示的固态图像拾取器件相同。因此，其它电极，光电二极管和区域标有赋予第一实施例的对应的电极，光电二极管和区域相同的标号，为简化起见，在此不作进一步的说明。
如图15中所示的那样控制固态图像拾取器件。在以下方面，图15中所示的控制方法与图10中所示的控制方法不同。在所有时间第二脉冲信号PRG2保持在高电平VH-RG2，并且高电平VH-RG2高于高电平VH-RG1。
n型电荷转移沟道区37中的沟道电位随第一脉冲信号PRG1变化。第一脉冲信号PRG1在时间周期T1中保持在高电平VH-RG1，并且在时间周期T1中作为施加于转移电极60的一个脉冲的转移信号PTGA保持在低电平VL-TGA，以便使累积电极42下的势阱与n型电荷转移沟道区37隔离。
在时间周期T2期间，行选择信号PTr将行选择线49中的一个保持在高电平VH-Tr，并且与该行选择线49相关的转移晶体管50导通，以便把光电载流子转移到n型电荷转移沟道区37。梯度电位使电阻性栅极垂直电荷转移单元41以高速把电荷分组向转移电极60下的势垒转移。但是，低电平VL-TGA的转移信号PTGA不允许电荷分组进入累积电极42下的势阱。
在时间周期T2中，累积信号保持电位在低电平VL-STG，并且在时间周期T2中，转移信号PVLG保持电位在高电平VH-VLG。在先前周期中读出的电荷分组被转移到水平电荷转移单元46，并在时间周期T3中被转移到输出电路54。
在时间t10第一脉冲信号PRG1改变电位至低电平VL-RG1，并且转移信号PTGA也恢复到高电平VH-TGA。接着，电荷分组流入累积电极42下的势阱。
以这种方式，转移电极60使n型电荷转移沟道区37与累积电极42下的势阱隔离，并使n型电荷转移沟道区37与势阱连接。利用转移信号PTGA和PVLG，固态图像拾取器件同时把电荷分组从光电二极管转移到n型电荷转移沟道区37，和把先前的电荷分组从累积电极42下的势阱转移到n型电荷转移沟道区44。结果，即使增大电阻性栅极垂直电荷转移单元41的时间常数，电荷转移也会在水平消隐周期中完成。电阻性栅极垂直电荷转移单元41的大的时间常数减小了电流消耗。
在第三实施例中，固态图像拾取器件总是把第二脉冲信号PRG2保持在高电平VH-RG2。但是，第二脉冲信号PRG2可以象图10或12中所示的第二脉冲信号PRG2一样地改变，以便减小脉冲高度。
传输门电极60/43和累积电极42通过信号线TGA，VLG和STG连接于一个适当的脉冲发生器，并且脉冲发生器，脉冲信号RG1/RG2的源以及行选择器51作为一个整体构成一个控制器件。
尽管显示和说明的是本发明的特定实施例，但熟悉本领域的技术人员应当明白，可以进行各种的改变和变化，而不脱离本发明的精神和范围。
例如，电荷分组可以由正电荷构成。在这种情况下，如果颠倒电位之间的关系，可以把上述的说明用于图像拾取器件。
Claims (12)
1.一种控制固态图像拾取器件的方法，该固态图像拾取器件包括：
多个光电转换器件(36)，用于从一个携带图像的光产生电荷分组，
多个电阻性栅极电荷转移单元(41)，分别具有相应的电荷转移沟道区(37)和相应的以电容方式耦合于所述电荷转移沟道区的电阻性栅极(40)，
多个第一传输门元件(50)，分别具有连接在所述多个光电转换器件和所述电荷转移沟道区之间的相应第一传输门沟道区(32a)，并且有选择地在导通状态和截止状态之间变化，用来向所述电荷转移沟道区转移特定电荷分组，和
多个可连接于所述电荷转移沟道区的电荷累积势阱，用来累积所述电荷分组，
水平电荷转移单元(46)，可电连接于所述多个电荷累积势阱，用来向一个输出电路(54)转移所述电荷分组，
所述电荷转移沟道区具有相应的第一端(RG1)和相应的比所述第一端更靠近所述水平电荷转移单元的第二端(RG2)，
其特征在于：
所述方法包括步骤：
a)使所述第一端(RG1)下的所述电荷转移沟道区中的电位高于处在所述导通状态的所述第一传输门沟道区(32a)中的电位，以便分别通过所述第一传输门沟道区向所述电荷转移沟道区转移所述特定电荷分组，
b)把所述第一传输门元件(50)转变为所述截止状态，和
c)把所述第一端(RG1)下的所述电荷转移沟道区中的电位转变为低于在所述步骤a)中所述第一端下的所述电荷转移沟道区中的所述电位和一个所述第二端(RG2)下的所述电荷转移沟道区中的电位，并且高于在所述截止状态的所述第一传输门沟道区(32a)中的所述电位的特定电平，以便向所述多个电荷累积势阱转移所述特定电荷分组。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一端下的所述电荷转移沟道区中的所述电位等于在所述步骤a)中所述第二端下的所述电荷转移沟道区中的所述电位。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述固态图像拾取器件还包括一个具有一个连接在所述多个电荷转移沟道区和所述多个电荷累积势阱之间的第二传输门沟道区的第二传输门元件(60)，
在所述步骤a)中所述第一端下的所述电荷转移沟道区中的所述电位高于所述第二传输门元件的所述第二传输门沟道区中的电位，
在所述步骤c)中所述第二传输门元件转变为导通状态，以便向所述多个电荷累积势阱转移所述电荷分组。
4.一种控制固态图像拾取器件的方法，固态图像拾取器件包括：
多个用于从入射光产生电荷分组的光电转换器件(36)，
多个电阻性栅极垂直电荷转移单元(41)，分别具有相应的电荷转移沟道区(37)，和相应的以电容方式耦合于所述电荷转移沟道区的电阻性栅极(40)，
多个第一传输门元件(50)，分别具有连接在所述多个光电转换元件和所述电荷转移沟道区之间的相应第一沟道区(32a)和以电容方式耦合于所述第一沟道区的第一传输门电极(49a)，用来分别从选定的光电转换元件向所述电荷转移沟道区转移特定电荷分组，
水平电荷转移单元(46)，可电连接于所述电荷转移沟道区的用来向一个输出电路转移所述电荷分组，和
控制器件(RG1/RG2/51)，连接于所述电阻性栅极(40)的第一端和比所述第一端更靠近所述水平电荷转移单元(46)的所述电阻性栅极的第二端，
所述方法包括步骤：
a)从所述控制器件分别向所述第一端和所述第二端供给一个第一电位(VH-RG1)和一个第二电位(VL-RG2；VH-RG2)，以便增加所述选定的光电转换元件与所述电荷转移沟道区之间的电位差，
b)从所述控制器件向所述第一传输门电极提供一个第三电位(VH-Tr)，使得能够通过所述第一沟道区从所述选定光电转换器件向所述电荷转移沟道区转移电荷分组，和
c)从所述控制器件向所述第一端提供第四电位(VL-RG1)，以便加大沿所述电荷转移沟道区的电位梯度，从而使所述多个电阻性栅极垂直电荷转移单元向所述水平电荷转移单元转移所述电荷分组。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一电位(VH-RG1)与所述第二电位(VH-RG2)不同，以便产生一个用于从所述第一端向所述第二端转移所述电荷分组的初始电位梯度，并且在所述步骤c)所述电位梯度大于所述初始电位梯度。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述第一电位(VH-RG1)等于所述第二电位(VL-RG2)，使得沿所述电荷转移沟道区不产生电位梯度。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述固态图像拾取器件还包括：
多个电荷累积单元，具有分别邻接于所述电荷转移沟道区的相应的势阱、和一个以电容方式耦合于所述势阱的累积电极(42)，和
第二传输门元件，具有分别连接在所述电荷转移沟道区与所述势阱之间的第二传输门沟道区，和一个以电容方式耦合于所述第二传输门沟道区的第二传输门电极(43)，并且
所述方法还包括步骤：
d)从所述控制器件向所述第二端提供一个第五电位(VL-RG2)，以便增加所述第二端与所述势阱之间的电位差。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述固态图像拾取器件还包括：
多个具有分别邻接于所述电荷转移沟道区的相应的势阱，和一个以电容方式耦合于所述势阱的累积电极(42)的电荷累积单元，
第二传输门元件，具有分别连接在所述电荷转移沟道区与所述势阱之间的第二传输门沟道区，和一个以电容方式耦合于所述第二传输门沟道区的第二传输门电极(43)，和
第三传输门元件，具有连接在所述势阱与所述水平电荷转移单元之间的第三传输门沟道区和一个以电容方式耦合于所述第三传输门沟道区的第三传输门电极(60)，
所述控制器件还在所述步骤a)中向所述累积电极和所述第三传输门电极提供一个第五电位(VL-STG)和一个第六电位(VH-VLG)，以便向所述水平电荷转移单元转移在所述步骤a)之前累积的电荷分组，和
所述控制器件还在步骤c)中向所述第二传输门电极提供一个第七电位(VH-TGA)，以便使电荷分组能够流入所述势阱。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述固态图像拾取器件还包括一个形成在所述多个光电转换元件之下的垂直溢流漏极，以使过量电荷能够从所述光电转换元件流过沿所述光电转换元件与所述垂直溢流漏极之间的边界产生的势垒。
10.如权利要求4所述的方法，其中在所述步骤a)，b)和c)中所述第二电位(VH-RG2)是常数。
11.一种在半导体器件上制造的固态图像拾取器件，包括：
多个用于从携带图像的光产生电荷分组的光电转换器件(36)，
多个电阻性栅极电荷转移单元(41)，分别具有相应的电荷转移沟道区(37)和以电容方式耦合于所述电荷转移沟道区的相应的电阻性栅极(40)，
多个第一传输门元件(50)，分别具有连接在所述多个光电转换器件和所述电荷转移沟道区之间的相应第一传输门沟道区，并且分别有选择地在导通状态和截止状态之间变化，用来向所述电荷转移沟道区转移特定电荷分组，
多个电荷累积势阱，可连接于所述电荷转移沟道区，用于累积所述电荷分组，
水平电荷转移单元(46)，可电连接于所述多个电荷累积势阱用于向输出电路(54)转移所述电荷分组，
所述电荷转移沟道区具有相应的的第一端(RG1)和比所述第一端更靠近所述水平电荷转移单元的相应的第二端(RG2)，其特征在于进一步包括：
电位梯度产生器件，连接于所述电阻性栅极的第一端和比所述第一端更靠近所述水平电荷转移单元的所述电阻性栅极的第二端，
其特征在于，
所述电位梯度产生器件使所述第一端(RG1)下的所述电荷转移沟道区中的电位高于处在所述导通状态的所述第一传输门沟道区(32a)中的电位，以便分别通过所述第一传输门沟道区向所述电荷转移沟道区转移所述特定电荷分组，使所述第一传输门元件(50)转变为所述截止状态，和使所述第一端(RG1)下的所述电荷转移沟道区中的电位转变为低于在所述步骤a)中所述第一端下的所述电荷转移沟道区中的所述电位和一个所述第二端(RG2)下的所述电荷转移沟道区中的电位，并且高于在所述截止状态的所述第一传输门沟道区(32a)中的所述电位，以便向所述多个电荷累积势阱转移所述特定电荷分组。
12.一种在半导体器件上制造的固态图像拾取器件，包括：
多个用于从入射光产生电荷分组的光电转换器件(36)，
多个电阻性栅极垂直电荷转移单元(41)，分别具有相应的电荷转移沟道区(37)和相应的以电容方式耦合于所述电荷转移沟道区的电阻性栅极(40)，
多个第一传输门元件(50)，分别具有连接在所述多个光电转换元件和所述电荷转移沟道区之间的相应第一沟道区(32a)和以电容方式耦合于所述第一沟道区的第一传输门电极(49a)，用来分别从选定的光电转换元件向所述电荷转移沟道区转移特定电荷分组，
水平电荷转移单元(46)，可电连接于所述电荷转移沟道区的用来向一个输出电路转移所述电荷分组，和
控制装置(RG1/RG2/51)，连接于所述电阻性栅极(40)的第一端和比所述第一端更靠近所述水平电荷转移单元(46)的所述电阻性栅极的第二端，
其特征在于：
所述控制装置从所述控制器件分别向所述第一端和所述第二端供给第一电位(VH-RG1)和第二电位(VL-RG2；VH-RG2)，以便增加所述选定的光电转换元件与所述电荷转移沟道区之间的电位差，从所述控制器件向所述第一传输门电极提供一个第三电位(VH-Tr)，使得能够通过所述第一沟道区从所述选定光电转换器件向所述电荷转移沟道区转移电荷分组，和从所述控制器件向所述第一端提供第四电位(VL-RG1)，以便加大沿所述电荷转移沟道区的电位梯度，从而使所述多个电阻性栅极垂直电荷转移单元向所述水平电荷转移单元转移所述电荷分组。
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