CN110061021A - 图像传感器及其操作方法 - Google Patents

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CN110061021A CN201910358073.0A CN201910358073A CN110061021A CN 110061021 A CN110061021 A CN 110061021A CN 201910358073 A CN201910358073 A CN 201910358073A CN 110061021 A CN110061021 A CN 110061021A
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Abstract

本公开涉及图像传感器及其操作方法。该图像传感器包括衬底、设置在衬底中的多个像素单元和多个处理电路。每个像素单元包括：栅极结构，包括栅极和栅极电介质层；多个浮置扩散区；多个光电二极管，与浮置扩散区一一对应地设置在其下方，其中多个浮置扩散区具有第一掺杂类型并且多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个沟道形成区，每个沟道形成区设置在相应一个浮置扩散区与相应一个光电二极管的第一区域之间并具有第二掺杂类型。每个处理电路由多个像素单元中的至少两个像素单元共用，用于基于该至少两个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将电信号输出。

Description

图像传感器及其操作方法
技术领域
本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及图像传感器及其操作方法。
背景技术
图像传感器是能够对辐射(例如，光辐射，包括但不限于可见光、红外线、紫外线等)进行感测并由此生成相应的电子信号的功能器件。图像传感器被广泛地应用于各种需要对辐射进行感测的电子产品中。
图像传感器可以包括多个像素单元以及设置在像素单元周围的处理电路，其中处理电路也可以被认为是像素单元的组成部分。每个像素单元都具有诸如光电二极管之类的光电转换部件。
随着人们对电子产品小型化的需求越来越高，领域内一直致力于进一步缩小图像传感器的产品尺寸，但是简单地缩小现有的像素单元为平面结构的图像传感器所能实现的尺寸缩小非常有限，而且还会带来很多负面效果，诸如感光面积受限、串扰加剧、暗电流恶化等。
因此存在对于能够在进一步缩小产品尺寸的同时保证产品性能的改进的图像传感器的需求。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种新颖的图像传感器及其操作方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，包括：衬底；设置在衬底中的多个像素单元，每个像素单元包括：栅极结构，包括：栅极，嵌入在衬底中；以及栅极电介质层，设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面；多个浮置扩散区，彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处，多个浮置扩散区围绕栅极结构并且与栅极电介质层接触；多个光电二极管，彼此分离地设置在衬底中，多个光电二极管与多个浮置扩散区一一对应地设置在多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层接触，其中，多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个沟道形成区，每个沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型；以及多个处理电路，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将所述电信号输出。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于操作根据上述实施例的图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：在第一时间段内，接通第一复位晶体管、第二复位晶体管、第三复位晶体管和第四复位晶体管，使得第一像素单元和第二像素单元的所有浮置扩散区复位，然后关断第一复位晶体管、第二复位晶体管、第三复位晶体管和第四复位晶体管；在第二时间段内，向第一像素单元的栅极施加在预定范围内的电压，使得第一浮置扩散区、第二浮置扩散区、第三浮置扩散区和第四浮置扩散区各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将第一像素单元的每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中；在第三时间段内，在保持第二选通晶体管和第四选通晶体管关断的同时接通第一选通晶体管和第三选通晶体管，经由第一源极跟随器晶体管和第一选通晶体管读取第一浮置扩散区的信号，并且经由第二源极跟随器晶体管和第三选通晶体管读取第二浮置扩散区的信号；以及在第四时间段内，在保持第一选通晶体管和第三选通晶体管关断的同时接通第二选通晶体管和第四选通晶体管，经由第一源极跟随器晶体管和第二选通晶体管读取第四浮置扩散区的信号，并且经由第二源极跟随器晶体管和第四选通晶体管读取第三浮置扩散区的信号。
通过根据本公开的实施例的图像传感器及其操作方法，能够有效缩小每个像素单元的尺寸并且减少平均每个像素单元所需的处理电路的规模，从而在整体上缩小图像传感器的尺寸并进一步降低制造成本。此外，根据本公开的实施例的图像传感器及其操作方法还能够使得缩小尺寸的图像传感器依旧能保持良好的感测性能，并改善串扰和暗电流等问题。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据以下详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的图像传感器的剖视图；
图1B示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图；
图1C示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1C-1C截取的截面图；
图1D示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1D-1D截取的截面图；
图2示意性地示出了图1A-1D中所示的图像传感器的处理电路的一种可能的实现方式的电路图；
图3示意性地示出了图1A-1D中所示的图像传感器的处理电路的另一种可能的实现方式的电路图；以及
图4示意性地示出了包括图3中所示的处理电路的图像传感器的操作方法的时序图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
还应注意的是，对于数字标号相同而跟随在数字标号后面的字母不同的那些附图标记，其表示的是具有相同或对称结构的不同部件。当只引用这些附图标记所共有的数字标号时，表示共同地引用具有该数字标号和不同字母的所有附图标记。例如，图1A中使用了附图标记106a和106b，则当提及附图标记106时，表示所有包含数字标号106和不同字母的附图标记106a和106b等所指代的部件，而当提及附图标记106a时，则仅表示附图标记106a所指代的部件。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
下面结合图1A至图1D描述根据本公开的实施例的图像传感器100。
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的图像传感器100的剖视图，图1B示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图，图1C示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1C-1C截取的截面图，并且图1D示意性地示出了图1A中所示的图像传感器的沿着图1A中的线1D-1D截取的截面图。
图像传感器100可以包括衬底101、设置在衬底101中的多个像素单元以及多个处理电路。其中，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将电信号输出。
应当注意的是，为了清楚地示出图像传感器100的像素单元的结构，图1A至图1D中未示出图像传感器100中的处理电路的具体结构，关于图像传感器100的处理电路的具体配置将在下文中结合图2和图3进一步详细描述。
还应当注意的是，为了简化附图，图1A至图1D中仅示意性地示出了一个像素单元，但本领域技术人员将理解，根据本公开的实施例的图像传感器100可以包括任意数量、以任意形式布置的多个像素单元。例如，图像传感器100可以包括以二维阵列形式布置的多个像素单元。
在一些实施例中，衬底101包括但不限于半导体衬底，其可以包括一元半导体材料(诸如，硅或锗等)或化合物半导体材料(诸如碳化硅、锗硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟)或其组合。在根据本公开的实施例中，对于衬底没有特别的限制，只要其适于在其中形成用于实现相应功能的部件即可。衬底101的部分或全部还可以掺杂有一定浓度的杂质元素，例如，可以掺杂有N型或者P型的杂质。在下文中，使用“第一掺杂类型”和“第二掺杂类型”来区分不同的掺杂类型。在一些实施例中，第一掺杂类型为N型，第二掺杂类型为P型。在另一些实施例中，第一掺杂类型为P型，第二掺杂类型为N型。
如图1A所示，每个像素单元可以包括栅极结构103，其中栅极结构103可以包括嵌入在衬底101中的栅极104以及设置在衬底101中并且围绕栅极104的底面和侧面的栅极电介质层105。
在一些实施例中，当从垂直于衬底101的表面的方向看时，栅极104的形状可以是圆形或矩形等。栅极104的材料可以包括以下之中的一种或多种：多晶硅、掺杂多晶硅(诸如，掺杂有磷离子的多晶硅、掺杂有砷离子的多晶硅、掺杂有锑离子的多晶硅)、金属(例如铜)等。栅极电介质层105的材料可以包括以下之中的一种或多种：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。
继续参考图1A，每个像素单元还可以包括：彼此分离地设置在衬底101中邻近上表面处的多个浮置扩散区106，彼此分离地设置在衬底101中的多个光电二极管102，以及多个沟道形成区107。
结合图1A和图1B可以看出，多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d围绕栅极结构103并且与栅极电介质层105接触。
本领域技术人员应理解，虽然在图1B中示出的浮置扩散区106a、106b、106c和106d的数量为四个，但这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，浮置扩散区的数量可以是两个、三个、五个或者更多个。另外，虽然在图1B中示出的浮置扩散区106a、106b、106c和106d具有相同的尺寸，但是在其它实施例中，多个浮置扩散区的尺寸可以彼此相同也可以彼此不相同，并且每个浮置扩散区的尺寸可以根据电荷容纳能力的设计需要来灵活设置。
本领域技术人员还应理解，尽管图1B中示出的浮置扩散区106a、106b、106c和106d的外围包络线形状呈现为圆形，但在其它实施例中，多个浮置扩散区的外围包络线形状可以是矩形、椭圆形或其他任何合适的形状。此外，每个浮置扩散区的形状可以彼此相同也可以彼此不同，并且可以根据应用需要来灵活设置。
结合图1A和图1D可以看出，多个光电二极管102a、102b、102c和102d彼此分离地设置在衬底101中，与多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d一一对应地设置在多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d下方并且与栅极电介质层105接触。多个浮置扩散区106a、106b、106c和106d具有第一掺杂类型，并且多个光电二极管102a、102b、102c和102d各自包括具有第一掺杂类型的第一区域(图中未示出)。
虽然在图1D中示出的光电二极管102a、102b、102c和102d的数量为四个，但这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，光电二极管的数量可以是两个、三个、五个或者更多个。光电二极管的数量与浮置扩散区的数量相同，每个光电二极管都具有在其上方与之对应设置的一个浮置扩散区。
另外，虽然在图1D中示出的光电二极管102a、102b、102c和102d具有相同的尺寸，但是在其它实施例中，多个光电二极管的尺寸可以彼此相同也可以彼此不相同。在一些实施例中，每个光电二极管的尺寸可以根据感光能力的设计需要来灵活设置。此外，多个光电二极管的形状可以彼此相同也可以彼此不同。尽管图1D中示出的光电二极管102a、102b、102c和102d的形状为方形，但在其它实施例中，光电二极管还可以具有其它形状，包括但不限于圆形、扇形、梯形等。
结合图1A和图1C可以看出，多个沟道形成区107a、107b、107c和107d彼此分离地围绕栅极结构103并且与栅极电介质层105接触，每个沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型。以图1A为例，沟道形成区107a设置在相应的浮置扩散区106a与相应的光电二极管102a的第一区域之间，沟道形成区107b设置在相应的浮置扩散区106b与相应的光电二极管102b的第一区域之间。在图像传感器100中，像素单元可以形成在衬底101中的具有第二掺杂类型的有源区中，沟道形成区107可以是该有源区的一部分。沟道形成区107的掺杂浓度与有源区的其它部分的掺杂浓度可以相同或不同。在一些实施例中，可以通过调节沟道形成区107的掺杂浓度和/或尺寸来调节像素单元的阈值电压。
光电二极管102a、102b、102c和102d中的每个光电二极管用于基于感测到的辐射产生电荷，浮置扩散区106a、106b、106c和106d中的每个浮置扩散区用于存储相应的光电二极管产生的电荷。当向栅极104施加合适的电压时，沟道形成在每个沟道形成区中并使得相应的浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，从而将相应的光电二极管产生的电荷传输至相应的浮置扩散区中。在每个像素单元中，每个浮置扩散区和相应的一个光电二极管的第一区域以及栅极结构共同构成一个MOS(金属氧化物半导体)晶体管，其中浮置扩散区和光电二极管的第一区域分别用作MOS晶体管的源极和漏极/漏接和源极。基于此，可以认为每个像素单元包括多个MOS晶体管并且这些MOS晶体管共用一个栅极，当对栅极施加合适的电压时，像素单元内的每个MOS晶体管的源极和漏极通过形成在其沟道形成区中的沟道导通，从而使得每个光电二极管产生的电荷传输至相应的一个浮置扩散区，但各个MOS晶体管彼此之间保持电隔离。
继续参考图1A，栅极电介质层105可以与多个光电二极管102、多个浮置扩散区106以及多个沟道形成区107接触。在一些实施例中，栅极电介质层105的各部分可以具有均匀的厚度并且由同一种材料构成。在另一些实施例中，栅极电介质层105可以包括：与沟道形成区107接触的第一部分、与浮置扩散区106接触的第二部分，以及与光电二极管102和光电二极管102之间的衬底部分接触的第三部分，其中，第二部分和第三部分的材料可以与第一部分的材料相同，也可以与第一部分的材料不同。在一个实施例中，第二部分和第三部分的材料的致密度可以大于第一部分的材料的致密度，从而抑制漏电问题。在一个实施例中，第一部分的材料可以包括氧化硅，第二部分和第三部分的材料可以包括以下中的至少一种：氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅或者碳氮氧化硅。在一个实施例中，栅极电介质层105的第一部分的厚度可以小于栅极电介质层105的其余部分的厚度。
根据本公开的实施例的每个像素单元还可以包括多个隔离区108。结合图1A至图1D可以看到，每个像素单元可以设置有多个隔离区108，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区和相应的两个光电二极管。例如，隔离区108a隔开相邻的两个浮置扩散区106a、106b、相应的两个沟道形成区107a、107b和相应的两个光电二极管102a、102b，隔离区108b隔开相邻的两个浮置扩散区106b、106c、相应的两个沟道形成区107b、107c和相应的两个光电二极管102b、102c，隔离区108c隔开相邻的两个浮置扩散区106c、106d、相应的两个沟道形成区107c、107d和相应的两个光电二极管102c、102d，并且隔离区108d隔开相邻的两个浮置扩散区106d、106a、相应的两个沟道形成区107d、107a和相应的两个光电二极管102d、102a。隔离区能够有效防止相邻的光电二极管之间的电连通、相邻的浮置扩散区之间的电连通以及相邻的沟道形成区之间的电连通。
在一些实施例中，当对栅极104施加的电压大于第一阈值时，沟道形成在每个沟道形成区中并使得相应的浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通；当不对栅极104施加电压或者对栅极104施加的电压小于第二阈值时，多个隔离区108使得多个浮置扩散区106彼此电隔离、多个光电二极管102彼此电隔离并且多个沟道形成区107彼此电隔离，其中，第一阈值小于第二阈值。
如前所述，像素单元形成在衬底101中的具有第二掺杂类型的有源区中，并且沟道形成区是该有源区的一部分。在一些实施例中，多个隔离区108也可以是该有源区的一部分，即具有第二掺杂类型。在这种情况下，使得第一阈值电压小于第二阈值电压可以通过以下方式实现：使得多个隔离区108的掺杂浓度大于多个沟道形成区107的掺杂浓度；使得栅极电介质层105的与多个沟道形成区107接触的部分的厚度小于栅极电介质层105的其余部分的厚度；适当地设置沟道形成区的尺寸、相邻的光电二极管之间的间距和/或相邻的浮置扩散区之间的间距；或者上述三种方式的任意组合。即，可以通过调整掺杂浓度或调整相应部件的尺寸来容易地确保第一阈值电压小于第二阈值电压。
在一些实施例中，每个隔离区还可以包括设置在相邻的两个浮置扩散区之间的第一沟槽隔离结构和/或设置在相邻的两个沟道形成区之间的第二沟槽隔离结构和/或设置在相邻的两个光电二极管之间的第三沟槽隔离结构。第一沟槽隔离结构、第二沟槽隔离结构和/或第三沟槽隔离结构可以是形成在衬底101中的深沟槽隔离。其中第一沟槽隔离结构和第二沟槽隔离结构可以一体地形成，或者第二沟槽隔离结构和第三沟槽隔离结构可以一体地形成。在一个实施例中，第三沟槽隔离结构可以通过从衬底101的背侧向衬底中心蚀刻来形成，并且可以在对衬底进行减薄的步骤之后进行。
进一步的，由于本公开提供的图像传感器在一个像素单元内具有多个光电二极管及相应的浮置扩散区，因此可以认为在一个像素单元内设置有多个子像素单元。每个像素单元内的多个子像素单元之间通过多个隔离区隔开，并且共享一个栅极结构。每个子像素单元包括一个光电二极管和对应的浮置扩散区以及设置在这两者之间的沟道形成区，其功能相当于传统图像传感器中的一个像素单元。以图1A至图1D所示的像素单元为例，其可以包括第一子像素单元、第二子像素单元、第三子像素单元和第四子像素单元。其中，第一子像素单元包括光电二极管102a、浮置扩散区106a和沟道形成区107a，第二子像素单元包括光电二极管102b、浮置扩散区106b和沟道形成区107b，第三子像素单元包括光电二极管102c、浮置扩散区106c和沟道形成区107c，并且第四子像素单元包括光电二极管102d、浮置扩散区106d和沟道形成区107d。第一子像素单元、第二子像素单元、第三子像素单元和第四子像素单元共享栅极结构103。第一子像素单元、第二子像素单元、第三子像素单元和第四子像素单元中的每一个的功能都相当于一个传统的像素单元。
在传统的图像传感器中，一般会在像素单元的辐射感测部件上方覆盖彩色滤色器。常用的做法包括覆盖RGB三色滤色器，以1:1:2的红蓝绿比例由四个像素单元构成一个彩色像素单元组(即红色滤色器、蓝色滤色器分别覆盖一个像素，剩下的两个像素都覆盖绿色滤色器)。而在根据本公开的实施例的图像传感器的每个像素单元中，可以在第一子像素单元上方设置红色滤色器以使得光电二极管102a用于感测红光，可以在第三子像素单元上方设置蓝色滤色器以使得光电二极管102c用于感测蓝光，并且可以在第二子像素单元和第四子像素单元上方设置绿色滤色器以使得光电二极管102b、102d用于感测绿光。这四个子像素单元的有效感光面积可以相同，从而实现上述1:1:2的红蓝绿比例。这四个子像素单元的滤色器设置也可以根据具体情况进行改变(例如，四色CCD技术可以将其中的一个绿色滤色器换为翡翠绿色(Emerald，可以称为E通道)，由此组成新的R、G、B、E四色方案)，并且各个子像素单元的感光面积也可以根据具体情况进行变化。在本公开的实施例提供的图像传感器中，可以在一个像素单元内就实现色彩比例合适的彩色像素，同时对通过感测辐射所得的电信号的读取彼此并不会发生干扰。
图2示意性地示出了图1A-1D中所示的图像传感器100的处理电路的一种可能的实现方式的电路图。下面参考图2来描述图像传感器100的处理电路的一个示例配置。
如前文中所述，图像传感器100可以包括多个处理电路，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将电信号输出。
在一些示例中，每个像素单元都可以配备有一个单独的处理电路。例如，图像传感器100可以包括N个像素单元和N个处理电路(其中，N为自然数)，每个像素单元耦接到N个处理电路中的相应的一个处理电路。每个像素单元具有M个浮置扩散区并且每个处理电路具有独立的M部分(其中，M为大于一的自然数)，其中每个浮置扩散区耦接到处理电路的相应的一部分。处理电路的每部分可以包括例如复位晶体管、源极跟随器晶体管和/或选择晶体管等。
注意，为了简化附图，图2仅示意性地示出了N个像素单元中的一个像素单元以及相应的一个处理电路，其中像素单元以截面图的形式示出并且处理电路以电路原理图的形式示出，以便更清楚地示出像素单元与处理电路的连接关系。
图2所示的像素单元具有如之前关于图1A至图1D所描述的像素单元的结构。如前文中所述，当对栅极104施加大于第一阈值并且小于第二阈值的电压VTX时，沟道形成在每个沟道形成区中并使得浮置扩散区106a、106b、106c和106d中相应的浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且此时由于多个隔离区108a、108b、108c和108d的存在，多个浮置扩散区彼此电隔离、多个光电二极管彼此电隔离并且多个沟道形成区通过多个彼此电隔离，因此相应的光电二极管基于感测到的辐射而产生的电荷被传输至相应的浮置扩散区中。
如图2所示，图像传感器100的每个处理电路可以包括第一部分PC1、第二部分PC2、第三部分PC3和第四部分PC4。第一部分PC1用于浮置扩散区106a，其包括复位晶体管Trs1、源极跟随器晶体管Tsf1和选择晶体管Tsel1。各个晶体管的连接关系采用4T像素的连接方式，如图2中所示，浮置扩散区106a耦接到复位晶体管Trs1并且耦接到源极跟随器晶体管Tsf1的栅极，选择晶体管Tsel1耦接到源极跟随器晶体管Tsf1。第二部分PC2用于浮置扩散区106b，其包括复位晶体管Trs2、源极跟随器晶体管Tsf2和选择晶体管Tsel2，并且各个晶体管的连接关系与第一部分PC1类似。第三部分PC3用于浮置扩散区106c，其包括复位晶体管Trs3、源极跟随器晶体管Tsf3和选择晶体管Tsel3，并且各个晶体管的连接关系与第一部分PC1类似。第四部分PC4用于浮置扩散区106d，其包括复位晶体管Trs4、源极跟随器晶体管Tsf4和选择晶体管Tsel4，并且各个晶体管的连接关系与第一部分PC1类似。
继续参考图2，电压信号SEL1、SEL2、SEL3、SEL4是分别用于选择晶体管Tsel1、Tsel2、Tsel2和Tsel2的栅极控制信号，电压信号RST1、RST2、RST3和RST4是分别用于复位晶体管Trs1、Trs2、Trs3和Trs4的栅极控制信号。当上述这些信号被置于有效时相应晶体管处于接通状态，被置于无效时相应晶体管处于关断状态。信号的有效和无效取决于晶体管，例如，如果相应晶体管为NMOS晶体管，则信号为高电平时有效，为低电平或零电平时无效。另外，电压信号VTX是用于像素单元的栅极104的栅极控制信号。
在图像传感器的操作过程中，浮置扩散区106a可以通过复位晶体管Trs1进行复位，并且浮置扩散区106a的电荷可以通过源极跟随器晶体管Tsf1和选择晶体管Tsel1转换成与其电荷量对应的电压信号VOUT1从而输出。浮置扩散区106b可以通过复位晶体管Trs2进行复位，并且浮置扩散区106b的电荷可以通过源极跟随器晶体管Tsf2和选择晶体管Tsel2转换成与其电荷量对应的电压信号VOUT2从而输出。浮置扩散区106c可以通过复位晶体管Trs3进行复位，并且浮置扩散区106c的电荷可以通过源极跟随器晶体管Tsf3和选择晶体管Tsel3转换成与其电荷量对应的电压信号VOUT3从而输出。以及，浮置扩散区106d可以通过复位晶体管Trs4进行复位，并且浮置扩散区106d的电荷可以通过源极跟随器晶体管Tsf4和选择晶体管Tsel4转换成与其电荷量对应的电压信号VOUT4从而输出。另外，每个处理电路也可以具有不包括选择晶体管的另一种电路结构。此外，本文对各个晶体管的类型不作特别限制。在一些实施例中，这些晶体管可以包括PMOS晶体管和/或NMOS晶体管。
如图2所示的包括处理电路的图像传感器的操作方法可以包括如下所述的步骤。
首先，接通选择晶体管Tsel1、Tsel2、Tsel3和Tsel4。选择晶体管Tsel1、Tsel2、Tsel3和Tsel4可以被同时接通，也可以以任意次序分别接通。
在接通选择晶体管Tsel1、Tsel2、Tsel3和Tsel4的同时或者之后，接通复位晶体管Trs1、Trs2、Trs3和Trs4以使得浮置扩散区106a、106b、106c和106d复位，即使得浮置扩散区中的电荷被清空。复位晶体管Trs1、Trs2、Trs3和Trs4可以被同时接通，也可以以任意次序分别接通。在相应的浮置扩散区复位之后，关断相应的复位晶体管。复位晶体管Trs1、Trs2、Trs3和Trs4可以被同时关断，也可以以任意次序分别关断。
接着，向像素单元的栅极104施加大于第一阈值并且小于第二阈值的电压VTX，使得浮置扩散区106a、106b、106c和106d各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中。然后，通过该像素单元的处理电路的第一部分PC1、第二部分PC2、第三部分PC3和第四部分PC4分别将各个浮置扩散区中的电荷读出，得到输出电压信号VOUT1、VOUT2、VOUT3和VOUT4。
在如图2所示的示例中，对于包括N个像素单元并且每个像素单元具有M个浮置扩散区的图像传感器来说，需要使用N个处理电路并且每个处理电路包括M组晶体管，因此共计需要至少3*M*N个晶体管来用作处理电路。为了进一步减小处理电路的规模，在一些实施例中，根据本公开的实施例的图像传感器的多个处理电路中的每个处理电路可以由至少两个像素单元共用，每个处理电路用于基于至少两个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将所述电信号输出。
图3示意性地示出了图1A-1D中所示的图像传感器的处理电路的另一种可能的实现方式的俯视图。下面参考图3来描述图像传感器100的处理电路的另一个示例配置。
如前文中所述，图像传感器100可以包括多个处理电路，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将电信号输出。在一些实施例中，每个处理电路由多个像素单元中的至少两个像素单元共用。例如，如图3所示，每个处理电路可以由相邻的两个像素单元P1和P2共用，该处理电路用于基于像素单元P1和P2的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将电信号输出。
注意，为了简化附图，图3仅示意性地示出了两个相邻的像素单元P1和P2以及由这两个相邻的像素单元共用的一个处理电路，其中像素单元以截面图的形式示出并且处理电路以电路原理图的形式示出，以便更清楚地示出像素单元与处理电路的连接关系。但这仅仅是说明性的而不是限制性的。在一个实施例中，每个处理电路还可以由相邻的三个、四个或更多个像素单元共用。在一个实施例中，多个像素单元可以以阵列形式布置，其中每个处理电路可以由至少一排像素单元或者至少一列像素单元共用。
图3所示的像素单元P1和P2具有如之前关于图1A至图1D所描述的像素单元的结构。如前文中所述，当对栅极104或栅极204施加大于第一阈值并且小于第二阈值的电压时，沟道形成在每个沟道形成区中并使得相应的浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，并且此时多个浮置扩散区彼此电隔离、多个光电二极管彼此电隔离并且多个沟道形成区彼此电隔离，因此相应的光电二极管基于感测到的辐射而产生的电荷被传输至相应的浮置扩散区中。
在一些实施例中，在每个像素单元包括M个浮置扩散区且其中M为大于1的自然数的情况下，相邻的两个像素单元所共用的处理电路包括不多于2M+4个晶体管，这些晶体管可以包括PMOS晶体管和/或NMOS晶体管。在一个实施例中，所述2M+4个晶体管包括：M个复位晶体管，两个源极跟随器晶体管，两个选择晶体管，以及M个选通晶体管。在另一些实施例中，该处理电路也可以具有不包括选择晶体管的电路结构。。
如图3所示，像素单元P1与像素单元P2彼此相邻，并且各自包括浮置扩散区106a、106b、106c、106d和206a、206b、206c、206d(即，M＝4)。像素单元P1与像素单元P2共用一个处理电路，该处理电路包括第一部分PC10和第二部分PC20，并且第一部分PC10和第二部分PC20各自包括6个晶体管。这6个晶体管包括2个复位晶体管、2个选通晶体管、1个源极跟随器晶体管和1个选择晶体管，因此该处理电路总共包括12个晶体管(即，4个复位晶体管、4个选通晶体管、2个源极跟随器晶体管和2个选择晶体管)。
在图3所示的图像传感器中，每两个像素单元仅需要使用一个处理电路，并且该处理电路仅需要使用12个晶体管，即，每个像素单元平均只需要6个晶体管的处理电路规模。而在图2所示的图像传感器中，每个像素单元平均需要12个晶体管的处理电路规模。因此，通过多个像素单元共用处理电路的配置，可以有效减少每个像素单元平均所需要的处理电路规模。
如图3所示，处理电路包括由浮置扩散区106a、106d、206a和206d共用的源极跟随器晶体管Tsf10，以及由浮置扩散区106b、106c、206b和206c共用的源极跟随器晶体管Tsf20。其中，浮置扩散区106a和206a通过选通晶体管T1耦接到源极跟随器晶体管Tsf10的栅极，浮置扩散区106d和206d通过选通晶体管T2耦接到源极跟随器晶体管Tsf10的栅极，浮置扩散区106b和206b通过选通晶体管T3耦接到源极跟随器晶体管Tsf20的栅极，以及浮置扩散区106c和206c通过选通晶体管T4耦接到源极跟随器晶体管Tsf20的栅极。
此外，由像素单元P1与像素单元P2共用的处理电路还可以包括选择晶体管Tsel10和Tsel20，其中，选择晶体管Tsel10耦接到源极跟随器晶体管Tsf10并用于提供输出VOUT10，选择晶体管Tsel20耦接到源极跟随器晶体管Tsf20并用于提供输出VOUT20。
继续参考图3，由像素单元P1与像素单元P2共用的处理电路还可以包括复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40。其中，复位晶体管Trs10由浮置扩散区106a和206a共用，复位晶体管Trs20由浮置扩散区106d和206d共用，复位晶体管Trs30由浮置扩散区106b和206b共用，复位晶体管Trs40由浮置扩散区106c和206c共用。处理电路被配置为使得：当复位晶体管Trs10被接通时，浮置扩散区106a和206a都被复位；当复位晶体管Trs20被接通时，浮置扩散区106d和206d都被复位；当复位晶体管Trs30被接通时，浮置扩散区106b和206b都被复位；当复位晶体管Trs40被接通时，浮置扩散区106c和206c都被复位。
继续参考图3，电压信号SEL10和SEL20是分别用于选择晶体管Tsel10和Tsel20的栅极控制信号，电压信号RST10、RST20、RST30和RST40是分别用于复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40的栅极控制信号，电压信号TG1、TG2、TG3和TG4是分别用于选通晶体管T1、T2、T3和T4的栅极控制信号。当上述这些信号被置于有效时相应晶体管处于接通状态，被置于无效时相应晶体管处于关断状态。信号的有效和无效取决于晶体管，例如，如果相应晶体管为NMOS晶体管，则信号为高电平时有效，为低电平或零电平时无效。另外，电压信号VTX1和VTX2是分别用于像素单元P1的栅极104和像素单元P2的栅极204的栅极控制信号。
应当注意的是，图2和图3仅给出了图像传感器的处理电路的示例配置，但这仅仅是说明性和示例性的，并不应该被作为对本公开的限制。其它适于读取像素单元的电信号的处理电路的结构配置也可以用于根据本公开的图像传感器。
图4示意性地示出了包括图3中所示的处理电路的图像传感器的操作方法的时序图。下面结合图4描述根据本公开的实施例的图像传感器的操作方法。
在如图4所示的时序图示，信号为高表示信号被置于有效，相应晶体管接通，信号为低表示信号被置于无效，相应晶体管关断，因此，信号为高或为低并不一定代表信号为高电平或为低电平，而是还可以包括其他情况。
如图4所示，在对像素单元P1和P2的所有浮置扩散区中的电荷进行转换和读取的过程中，保持选择晶体管Tsel10和Tsel20接通，并且具体操作时序如下。
在第一时间段Δt1内，接通复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40，使得像素单元P1和像素单元P2的所有浮置扩散区复位，然后关断复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40。应当注意的是，复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40的接通或关断可以同时进行，也可以按任何次序进行。
在第二时间段Δt2内，向像素单元P1的栅极104施加在预定范围内的电压，使得浮置扩散区106a、106b、106c、106d各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将像素单元P1的每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中，其中该预定范围内的电压大于前述第一阈值并且小于前述第二阈值。
在第三时间段Δt3内，在保持选通晶体管T2和T4关断的同时接通选通晶体管T1和T3，经由源极跟随器晶体管Tsf10和选通晶体管T1读取浮置扩散区106a的信号，并且经由源极跟随器晶体管Tsf20和选通晶体管T3读取浮置扩散区106b的信号。
在第四时间段Δt4内，在保持选通晶体管T1和T3关断的同时接通选通晶体管T2和T4，经由源极跟随器晶体管Tsf10和选通晶体管T2读取浮置扩散区106d的信号，并且经由源极跟随器晶体管Tsf20和选通晶体管T4读取浮置扩散区106c的信号。
由此，完成像素单元P1的所有浮置扩散区的信号读取。
在第五时间段Δt5内，接通复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40，使得像素单元P1和像素单元P2的所有浮置扩散区复位，然后关断复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40。
在第六时间段Δt6内，向像素单元P2的栅极204施加在预定范围内的电压，使得浮置扩散区206a、206b、206c、206d各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将像素单元P2的每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中，其中该预定范围内的电压大于前述第一阈值并且小于前述第二阈值。
在第七时间段Δt7内，在保持选通晶体管T2和T4关断的同时接通选通晶体管T1和T3，经由源极跟随器晶体管Tsf10和选通晶体管T1读取浮置扩散区206a的信号，并且经由源极跟随器晶体管Tsf20和选通晶体管T3读取浮置扩散区206b的信号。
在第八时间段Δt8内，在保持选通晶体管T1和T3关断的同时接通选通晶体管T2和T4，经由源极跟随器晶体管Tsf10和选通晶体管T2读取浮置扩散区206d的信号，并且经由源极跟随器晶体管Tsf20和选通晶体管T4读取浮置扩散区206c的信号。
由此，完成像素单元P2的所有浮置扩散区的信号读取。
应当注意的是，虽然图4示出第一时间段Δt1、第二时间段Δt2、第三时间段Δt3、第四时间段Δt4、第五时间段Δt5、第六时间段Δt6、第七时间段Δt7和第八时间段Δt8具有相同的长度，但是这仅仅是说明性的，并不旨在限制本公开。第一时间段Δt1、第二时间段Δt2、第三时间段Δt3、第四时间段Δt4、第五时间段Δt5、第六时间段Δt6、第七时间段Δt7和第八时间段Δt8可以具有不同的长度，并且它们之间还可以间隔任何长度的时间段。
在一些实施例中，可以先读取第二像素单元再读取第一像素单元，即，第一至第四时间段Δt1～Δt4的操作可以与第五至第八时间段Δt5～Δt8的操作整体互换顺序。在一些实施例中，对于每个像素单元的多个浮置扩散区的读取顺序也可以变化，例如，第三时间段Δt3的操作可以与第四时间段Δt4的操作互换顺序，第七时间段Δt7的操作可以和第八时间段Δt8的操作互换顺序。
另外，虽然图4中示出选择晶体管Tsel10和Tsel20与复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40同时接通，并且在第八时间段Δt8之后关断，但是这仅仅是示例性的，而不是对本公开的限制。实际上，只需要在像素单元P1和P2的信号读取过程中保持选择晶体管Tsel10和Tsel20接通即可，例如，可以在复位晶体管Trs10、Trs20、Trs30和Trs40被接通之前接通选择晶体管Tsel10和Tsel20，并且在第八时间段Δt8结束关断T2和T4的同时关断选择晶体管Tsel10和Tsel20。
此外，虽然在上述时序中，在保持选通晶体管T2和T4关断的同时接通选通晶体管T1和T3，以及在保持选通晶体管T1和T3关断的同时接通选通晶体管T2和T4，但本领域技术人员将理解，也可以在保持选通晶体管T2和T3关断的同时接通选通晶体管T1和T4，以及在保持选通晶体管T1和T4关断的同时接通选通晶体管T2和T3，只要T1和T2不同时接通并且T3和T4不同时接通即可。
与传统的图像传感器相比，根据本公开的实施例的图像传感器存在诸多优点。
首先，在传统的图像传感器中，光电二极管、栅极结构与浮置扩散区都沿着衬底的上表面水平地排列。与此不同，本公开提供了一种全新的将浮置扩散区与光电二极管在垂直于衬底表面的方向上排列的像素单元结构，即，将浮置扩散区沿垂直于衬底表面的方向设置在光电二极管上方，这有效减小了像素单元的面积。相对于现有的图像传感器，在感测能力相当的情况下，根据本公开的实施例的像素单元的面积更小、集成度更高。而在面积相当的情况下，根据本公开的实施例的图像传感器的像素单元可以具有更大的光电二极管尺寸与浮置扩散区，因而，光电二极管产生电荷的能力和浮置扩散区存储电荷的能力得到提升，从而可以提高像素单元的动态范围(最亮与最暗情况的比值)，降低噪声对像素单元的影响，以及提高信噪比。注意，根据本公开的实施例的像素单元的感测能力相当于四个传统的像素单元，因此应将其面积与四个传统像素单元的面积之和进行比较。
第二，如本领域技术人员所了解的，在每个像素单元内，光电转换部件的感光面积在整个像素单元的面积中所占的比例越大，则像素单元的感测性能(例如，感光效率、信噪比等)越好。根据本公开的新颖的垂直结构的像素单元极大提高了感光面积在整个像素单元的面积中所占的比例，从而使得在像素单元面积一定的情况下大幅提高像素单元的感光面积，以及在缩小像素单元尺寸的情况下仍然保持足够的感光面积。
第三，与传统的图像传感器相比，根据本公开的实施例的新颖的像素单元结构不仅有利于增大像素单元的有效感光面积，还通过将浮置扩散区和光电二极管分别设置在衬底的两侧，而为两者的布置留下了充足的空间和自由度，使得浮置扩散区能够设置的更深而不影响与光电二极管的电连通，从而使得在面积受限的情况下能够设置电荷容量更大的浮置扩散区。
第四，在传统的图像传感器中，需要为每个光电二极管设置对应的传输控制栅极。而在本公开的实施例中，每个像素单元内可以只设置一个栅极结构，即每个像素单元内的多个光电二极管共享一个传输控制栅极。当对像素单元中的栅极施加适当的电压，多个光电二极管中的每个都与多个浮置扩散区中的相应的一个浮置扩散区电连通。例如，如图1A至图1D所示，每个光电二极管102a、102b、102c和102d以及每个浮置扩散区106a、106b、106c和106d都围绕栅极结构103设置并且与栅极电介质层105接触，因此，向栅极104施加合适的电压时可以同时控制像素单元内每对光电二极管与浮置扩散区(例如，光电二极管102a与浮置扩散区106a，光电二极管102b与浮置扩散区106b，光电二极管102c与浮置扩散区106c，光电二极管102d与浮置扩散区106d)之间的电荷传输。通过这样的布置，一方面，由于栅极结构数量大大减少，像素单元的面积进一步减小，使得前述优势进一步增强。另一方面，当向这些光电二极管与浮置扩散区所共享的栅极施加适当的电压时，沟道相应地形成在每个浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域之间的沟道形成区中，使得每个浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通，从而像素单元内所有的浮置扩散区能够同时从其对应的光电二极管获取电荷。即，相对于传统的图像传感器，根据本公开的图像传感器不仅面积更小、感测性能更强，还更易于控制。
第五，根据本公开实施例的图像传感器可以包括多个处理电路，其中每个处理电路可以由至少两个像素单元共用，用于基于所述至少两个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将该电信号输出。这可以有利地减少每个像素单元平均所需的处理电路规模(例如减少了处理电路所需的晶体管的数量)，从而有效减少了图像传感器所需的处理电路的面积。进一步的，这节省出更多的面积用于布置更多像素单元，或者增大每个像素单元的有效面积，或者在像素单元的数量和尺寸一定的情况下使所得到的图像传感器的面积更小、集成度更高。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1、一种图像传感器，包括：衬底；设置在所述衬底中的多个像素单元，每个像素单元包括：栅极结构，包括：栅极，嵌入在所述衬底中；以及栅极电介质层，设置在所述衬底中并且围绕所述栅极的底面和侧面；多个浮置扩散区，彼此分离地设置在所述衬底中邻近上表面处，所述多个浮置扩散区围绕所述栅极结构并且与所述栅极电介质层接触；多个光电二极管，彼此分离地设置在所述衬底中，所述多个光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应地设置在所述多个浮置扩散区下方并且与所述栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个沟道形成区，每个沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型；以及多个处理电路，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将所述电信号输出。
2、根据1所述的图像传感器，每个处理电路由所述多个像素单元中的至少两个像素单元共用。
3、根据2所述的图像传感器，每个处理电路由相邻的两个像素单元共用。
4、根据3所述的图像传感器，在每个像素单元包括M个浮置扩散区且其中M为大于1的自然数的情况下，每个处理电路包括不多于2M+4个晶体管。
5、根据4所述的图像传感器，所述2M+4个晶体管包括：M个复位晶体管，两个源极跟随器晶体管，两个选择晶体管，以及M个选通晶体管。
6、根据5所述的图像传感器，所述多个像素单元包括第一像素单元以及与所述第一像素单元相邻的第二像素单元，所述第一像素单元包括第一浮置扩散区、第二浮置扩散区、第三浮置扩散区和第四浮置扩散区，所述第二像素单元包括第五浮置扩散区、第六浮置扩散区、第七浮置扩散区和第八浮置扩散区；以及，所述多个处理电路包括第一处理电路，并且所述第一像素单元和所述第二像素单元共用第一处理电路。
7、根据6所述的图像传感器，所述第一处理电路包括被配置为由所述第一浮置扩散区、所述第四浮置扩散区、所述第五浮置扩散区和所述第八浮置扩散区共用的第一源极跟随器晶体管，以及被配置为由所述第二浮置扩散区、所述第三浮置扩散区、所述第六浮置扩散区和所述第七浮置扩散区共用的第二源极跟随器晶体管。
8、根据7所述的图像传感器，所述第一浮置扩散区和所述第五浮置扩散区通过第一选通晶体管耦接到所述第一源极跟随器晶体管的栅极，并且所述第四浮置扩散区和所述第八浮置扩散区通过第二选通晶体管耦接到所述第一源极跟随器晶体管的栅极。
9、根据8所述的图像传感器，所述第二浮置扩散区和所述第六浮置扩散区通过第三选通晶体管耦接到所述第二源极跟随器晶体管的栅极，并且所述第三浮置扩散区和所述第七浮置扩散区通过第四选通晶体管耦接到所述第二源极跟随器晶体管的栅极。
10、根据9所述的图像传感器，所述第一处理电路还包括第一选择晶体管和第二选择晶体管，其中第一选择晶体管耦接到第一源极跟随器晶体管，并且第二选择晶体管耦接到第二源极跟随器晶体管。
11、根据10所述的图像传感器，所述第一处理电路还包括由所述第一浮置扩散区和所述第五浮置扩散区共用的第一复位晶体管、由所述第四浮置扩散区和所述第八浮置扩散区共用的第二复位晶体管、由所述第二浮置扩散区和所述第六浮置扩散区共用的第三复位晶体管以及由所述第三浮置扩散区和所述第七浮置扩散区共用的第四复位晶体管。
12、根据11所述的图像传感器，当所述第一复位晶体管被接通时，所述第一浮置扩散区和所述第五浮置扩散区都被复位；当所述第二复位晶体管被接通时，所述第四浮置扩散区和所述第八浮置扩散区都被复位；当所述第三复位晶体管被接通时，所述第二浮置扩散区和所述第六浮置扩散区都被复位；当所述第四复位晶体管被接通时，所述第三浮置扩散区和所述第七浮置扩散区都被复位。
13、根据1-12中任一项所述的图像传感器，每个像素单元还包括：多个隔离区，每个隔离区隔开相邻的两个浮置扩散区、相应的两个沟道形成区以及相应的两个光电二极管。
14、根据13所述的图像传感器，当对所述栅极施加的电压大于第一阈值时，沟道形成在每个沟道形成区中并使得相应的浮置扩散区与相应的光电二极管的第一区域导通；以及当不对所述栅极施加电压或者对所述栅极施加的电压小于第二阈值时，所述多个隔离区使得所述多个浮置扩散区彼此电隔离、所述多个光电二极管彼此电隔离并且所述多个沟道形成区彼此电隔离；其中，所述第一阈值小于所述第二阈值。
15、根据14所述的图像传感器，所述多个隔离区具有第二掺杂类型，并且掺杂浓度大于所述多个沟道形成区的掺杂浓度。
16、根据14所述的图像传感器，每个隔离区包括设置在相邻的两个浮置扩散区之间的第一沟槽隔离结构。
17、根据14所述的图像传感器，每个隔离区包括设置在相邻的两个沟道形成区之间的第二沟槽隔离结构。
18、根据14所述的图像传感器，每个隔离区包括设置在相邻的两个光电二极管之间的第三沟槽隔离结构。
19、根据14所述的图像传感器，所述栅极电介质层的与所述多个沟道形成区接触的部分的厚度小于所述栅极电介质层的其余部分的厚度。
20、一种用于操作如11或12所述的图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：在第一时间段内，接通所述第一复位晶体管、所述第二复位晶体管、所述第三复位晶体管和所述第四复位晶体管，使得所述第一像素单元和所述第二像素单元的所有浮置扩散区复位，然后关断所述第一复位晶体管、所述第二复位晶体管、所述第三复位晶体管和所述第四复位晶体管；在第二时间段内，向所述第一像素单元的所述栅极施加在预定范围内的电压，使得所述第一浮置扩散区、所述第二浮置扩散区、所述第三浮置扩散区和所述第四浮置扩散区各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将所述第一像素单元的每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中；在第三时间段内，在保持所述第二选通晶体管和所述第四选通晶体管关断的同时接通所述第一选通晶体管和所述第三选通晶体管，经由所述第一源极跟随器晶体管和所述第一选通晶体管读取所述第一浮置扩散区的信号，并且经由所述第二源极跟随器晶体管和所述第三选通晶体管读取所述第二浮置扩散区的信号；以及在第四时间段内，在保持所述第一选通晶体管和所述第三选通晶体管关断的同时接通所述第二选通晶体管和所述第四选通晶体管，经由所述第一源极跟随器晶体管和所述第二选通晶体管读取所述第四浮置扩散区的信号，并且经由所述第二源极跟随器晶体管和所述第四选通晶体管读取所述第三浮置扩散区的信号。
21、根据20所述的方法，所述方法还包括以下步骤：在第五时间段内，接通所述第一复位晶体管、所述第二复位晶体管、所述第三复位晶体管和所述第四复位晶体管，使得所述第一像素单元和所述第二像素单元的所有浮置扩散区复位，然后关断所述第一复位晶体管、所述第二复位晶体管、所述第三复位晶体管和所述第四复位晶体管；在第六时间段内，向所述第二像素单元的所述栅极施加在所述预定范围内的电压，使得所述第五浮置扩散区、所述第六浮置扩散区、所述第七浮置扩散区和所述第八浮置扩散区各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将所述第二像素单元的每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中；在第七时间段内，在保持所述第二选通晶体管和所述第四选通晶体管关断的同时接通所述第一选通晶体管和所述第三选通晶体管，经由所述第一源极跟随器晶体管和所述第一选通晶体管读取所述第五浮置扩散区的信号，并且经由所述第二源极跟随器晶体管和所述第三选通晶体管读取所述第六浮置扩散区的信号；以及在第八时间段内，在保持所述第一选通晶体管和所述第三选通晶体管关断的同时接通所述第二选通晶体管和第四选通晶体管，经由所述第一源极跟随器晶体管和所述第二选通晶体管读取所述第八浮置扩散区的信号，并且经由所述第二源极跟随器晶体管和所述第四选通晶体管读取所述第七浮置扩散区的信号。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，本文的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底；
设置在所述衬底中的多个像素单元，每个像素单元包括：
栅极结构，包括：
栅极，嵌入在所述衬底中；以及
栅极电介质层，设置在所述衬底中并且围绕所述栅极的底面和侧面；
多个浮置扩散区，彼此分离地设置在所述衬底中邻近上表面处，所述多个浮置扩散区围绕所述栅极结构并且与所述栅极电介质层接触；
多个光电二极管，彼此分离地设置在所述衬底中，所述多个光电二极管与所述多个浮置扩散区一一对应地设置在所述多个浮置扩散区下方并且与所述栅极电介质层接触，其中，所述多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且所述多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及
多个沟道形成区，每个沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型；以及
多个处理电路，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将所述电信号输出。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个处理电路由所述多个像素单元中的至少两个像素单元共用。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，每个处理电路由相邻的两个像素单元共用。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，在每个像素单元包括M个浮置扩散区且其中M为大于1的自然数的情况下，每个处理电路包括不多于2M+4个晶体管。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述2M+4个晶体管包括：M个复位晶体管，两个源极跟随器晶体管，两个选择晶体管，以及M个选通晶体管。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，
所述多个像素单元包括第一像素单元以及与所述第一像素单元相邻的第二像素单元，所述第一像素单元包括第一浮置扩散区、第二浮置扩散区、第三浮置扩散区和第四浮置扩散区，所述第二像素单元包括第五浮置扩散区、第六浮置扩散区、第七浮置扩散区和第八浮置扩散区；以及，
所述多个处理电路包括第一处理电路，并且所述第一像素单元和所述第二像素单元共用第一处理电路。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述第一处理电路包括被配置为由所述第一浮置扩散区、所述第四浮置扩散区、所述第五浮置扩散区和所述第八浮置扩散区共用的第一源极跟随器晶体管，以及被配置为由所述第二浮置扩散区、所述第三浮置扩散区、所述第六浮置扩散区和所述第七浮置扩散区共用的第二源极跟随器晶体管。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述第一浮置扩散区和所述第五浮置扩散区通过第一选通晶体管耦接到所述第一源极跟随器晶体管的栅极，并且所述第四浮置扩散区和所述第八浮置扩散区通过第二选通晶体管耦接到所述第一源极跟随器晶体管的栅极。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述第二浮置扩散区和所述第六浮置扩散区通过第三选通晶体管耦接到所述第二源极跟随器晶体管的栅极，并且所述第三浮置扩散区和所述第七浮置扩散区通过第四选通晶体管耦接到所述第二源极跟随器晶体管的栅极。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述第一处理电路还包括第一选择晶体管和第二选择晶体管，其中第一选择晶体管耦接到第一源极跟随器晶体管，并且第二选择晶体管耦接到第二源极跟随器晶体管。
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