CN115799289A - 一种4t有源像素结构及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种4T有源像素结构及其工作方法，包括P型衬底、SiO2层、钳位光电二极管PPD、传输晶体管栅极TG、浮动扩散电容FD、复位晶体管栅极RG、复位晶体管漏极RD、源极跟随器Msf、选通晶体管Mrs和列总线col_line。本发明有益效果：本发明在传统4T有源像素的基础上，通过增加FD节点与复位栅极（RG）之间间距，消除了FD跟复位栅极（RG）的交叠电容，降低了FD节点总电容，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益，最终实现高灵敏度感光。
Description
技术领域
本发明属于4T像素结构领域，尤其是涉及一种4T有源像素结构及其工作方法。
背景技术
随着摄像机对灵敏度的要求不断提高，高灵敏度CMOS图像传感器应用场景越来越多，其中像素是高灵敏度CMOS图像传感器核心组成部分，负责完成光信号到电信号的转换。主流的像素通常采用4T有源像素的结构，高灵敏度像素是对4T有源像素的改进，通常采用单光子雪崩二极管（SPAD）器件或者采用低浮动扩散（Floating Diffuison, FD）电容的高转换增益器件实现。主流高灵敏度像素设计考虑功耗、面积等因素，通常使用提高转换增益的结构。在噪声性能和灵敏度需求越来越高的趋势下，减小FD电容，提升转换增益是当前高灵敏度像素的技术难点。
传统的4T有源像素结构如图1，FD节点的电容包括FD的p-n结电容C1，FD跟传输门（TG）的交叠电容C2，FD跟复位栅极（RG）的交叠电容C3，源跟随器（Msf）的栅极电容C4以及金属线间的电容C5。
现有的高灵敏度像素通常在4T有源像素的基础上对FD节点进行改进，降低或消除一个或几个电容分量，降低FD节点的电容，提高转换增益，从而提高灵敏度，但其FD与RG之间有交叠，在工艺中FD区域的长度会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD无法实现更小的尺寸，无法进一步提升了转换增益；
本发明提出了一种将增加FD节点与复位栅极（RG）之间间距的结构，RG与FD之间存在距离L（本发明中典型值0.3μm），从而消除FD跟复位栅极（RG）的交叠电容C3，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益。本发明这一结构也可以用于其他的像素电路结构，适用范围广，对于采用有源像素的图像传感器来说是其实现高灵敏的有效解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种4T有源像素结构及其工作方法，以解决现有技术中的FD与RG之间有交叠，在工艺中FD区域的长度会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD无法实现更小的尺寸，无法进一步提升了转换增益的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种4T有源像素结构，包括P型衬底、SiO2层、钳位光电二极管PPD、传输晶体管栅极TG、浮动扩散电容FD、复位晶体管栅极RG、复位晶体管漏极RD、源极跟随器Msf、选通晶体管Mrs和列总线col_line；
所述钳位光电二极管PPD、浮动扩散电容FD、复位晶体管漏极RD均设置于P型衬底上的扩散区域，所述P型衬底上层覆盖有SiO2层，所述传输晶体管栅极TG、复位晶体管栅极RG设置于SiO2层的多晶硅栅极区域；所述钳位光电二极管PPD为传输晶体管的源极，所述浮动扩散电容FD为传输晶体管的漏极，所述浮动扩散电容FD为复位晶体管的源极；所述浮动扩散电容FD节点通过金属导线连接到源极跟随器Msf的栅极，所述源极跟随器Msf的源极与选通晶体管Mrs的漏极相连，所述源极跟随器Msf的漏极接电源VDD，所述选通晶体管Mrs的源极与列总线col_line相连；
所述浮动扩散电容FD区域靠近复位晶体管栅极RG一侧的边界与复位晶体管栅极RG靠近浮动扩散电容FD一侧的边界距离为L，所述L＞0，将两者边界之间的区域记为R。
进一步的，所述传输晶体管、复位晶体管、源极跟随器Msf、选通晶体管Mrs均采用NMOS晶体管。
进一步的，所述传输晶体管栅极TG连接到电压信号TX。
进一步的，所述复位晶体管栅极RG连接到电压信号RST。
进一步的，所述复位晶体管漏极RD接电源VDD。
进一步的，所述源极跟随器Msf的栅极连接到输入信号RS。
进一步的，一种4T有源像素结构的工作方法，包括以下步骤：
S1、将像素结构工作的一帧周期分为三个阶段，分别为复位阶段、曝光阶段、读出阶段；
S2、执行复位阶段；
S3、执行曝光阶段；
S4、执行读出阶段。
进一步的，在步骤S2中的执行复位阶段包括以下步骤：
S21、复位晶体管栅极RG的电压信号RST和传输晶体管栅极TG的电压信号TX置为高电平；
S22、钳位光电二极管PPD和浮动扩散电容FD复位，曝光开始。
进一步的，在步骤S3中的执行曝光阶段包括以下步骤：
S31、像素结构进行曝光；
S32、钳位光电二极管PPD中产生光生电荷；
S33、曝光阶段结束，曝光完成。
进一步的，在步骤S4中的执行读出阶段包括以下步骤：
S41、输入信号RS的电压信号SEL置为高电平，选通晶体管Mrs导通；
S42、浮动扩散电容FD节点的电压通过源极跟随器Msf传输到列总线col_line；
S43、电压信号RST置为高电平，复位晶体管开启，拉高复位晶体管栅极RG与浮动扩散电容FD之间区域电势，激活浮动扩散电容FD节点复位操作，浮动扩散电容FD处于复位状态；
S44、电压信号RST置为低电平，复位晶体管关闭，浮动扩散电容FD复位结束；
S45、浮动扩散电容FD节点的复位电压Vrst传输到列总线col_line；
S46、传输晶体管栅极TG的电压信号TX置为高电平，传输晶体管开启，累积在钳位光电二极管PPD中的光生电荷转移到浮动扩散电容FD区域；
S47、浮动扩散电容FD节点的信号电压Vsig传输到列总线col_line。
相对于现有技术，本发明所述的一种4T有源像素结构及其工作方法具有以下优势：
本发明所述的一种4T有源像素结构及其工作方法，本发明在传统4T有源像素的基础上，通过增加FD节点与复位栅极（RG）之间间距，消除了FD跟复位栅极（RG）的交叠电容，降低了FD节点总电容，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益，最终实现高灵敏度感光。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的现有技术中的4T有源像素结构示意图；
图2为本发明实施例所述的高灵敏度像素结构示意图；
图3为本发明实施例所述的高灵敏度像素工作时序示意图；
图4为本发明实施例所述的高灵敏度像素中RST为高电平和低电平时FD与RD之间电势的分布示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图2所示，图2为高灵敏度像素结构，像素包括P型衬底（P-Sub），SiO2层，钳位光电二极管（PPD），传输晶体管栅极（TG），浮动扩散电容（FD），复位晶体管的栅极（RG），复位晶体管的漏极（RD），源极跟随器Msf，选通晶体管Mrs以及列总线col_line。其中所述钳位光电二极管PPD、浮动扩散电容FD、复位晶体管漏极RD均设置于P型衬底上的扩散区域，所述P型衬底上层覆盖有SiO2层，所述传输晶体管栅极TG、复位晶体管栅极RG设置于SiO2层的多晶硅栅极区域；所述钳位光电二极管PPD为传输晶体管的源极，所述浮动扩散电容FD为传输晶体管的漏极，所述浮动扩散电容FD为复位晶体管的源极；所述浮动扩散电容FD区域靠近复位晶体管栅极RG一侧的边界与复位晶体管栅极RG靠近浮动扩散电容FD一侧的边界距离为L，L以两者边界远离为正，将两者边界之间的区域记为R；为了降低浮动扩散电容FD与复位晶体管的栅源耦合电容，本发明中两者边界距离L＞0（本发明中典型值0.3μm），由此消除了浮动扩散电容FD区域与复位晶体管栅极RG的栅源电容。浮动扩散电容FD节点通过金属导线连接到源极跟随器Msf的栅极，源极跟随器Msf的源极与选通晶体管Mrs的漏极相连，源极跟随器Msf的漏极接电源电压，选通晶体管Mrs的源极与列总线col_line相连。
像素中各个元器件的作用如下：PPD用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在PPD中；传输晶体管用于将PPD中积累的光生电荷在时序控制下转移到FD节点；复位晶体管用于在像素复位操作阶段将FD节点电压复位；Msf和Mrs将FD点的电压值输出到列总线col_line，用于图像传感器读出电路读取像素的信号值。像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管。
高灵敏度像素的工作时序如图3，首先，在复位阶段，复位晶体管栅极RG的电压信号（RST）和传输晶体管栅极TG的电压信号（TX）置为高电平，实现对钳位光电二极管PPD和浮动扩散电容FD的复位。然后，在曝光阶段，像素结构进行曝光，钳位光电二极管PPD中产生光生电荷。曝光结束后，在读出阶段，输入信号RS的电压信号（SEL）始终置为高电平，选通开关一直开启，浮动扩散电容FD节点的电压通过源极跟随器Msf传输到列总线col_line。电压信号RST置为高电平，复位晶体管开启，通过拉高复位晶体管栅极RG栅下以及复位晶体管栅极RG与浮动扩散电容FD间区域电势，实现对浮动扩散电容FD节点复位；电压信号RST置为低电平，复位晶体管关闭，复位结束，此时浮动扩散电容FD节点的复位电压（Vrst）传输到列总线col_line。传输晶体管栅极TG的电压信号（TX）置为高电平，传输管开启，累积在钳位光电二极管PPD中的光生电荷转移到浮动扩散电容FD区域，此时浮动扩散电容FD节点的信号电压（Vsig）传输到列总线col_line。
电压信号RST为高电平和低电平时浮动扩散电容FD与复位晶体管漏极RD之间电势的分布如图4，电压信号（RST）加在复位晶体管栅极RG上，电压信号RST置于低电平时，浮动扩散电容FD和复位晶体管漏极RD之间的区域存在较高的势垒，阻止了浮动扩散电容FD中电荷转移，浮动扩散电容FD处于非复位状态；电压信号RST置于高电平时，复位晶体管栅极RG栅下形成N型沟道，浮动扩散电容FD与复位晶体管栅极RG之间区域R的电势被同步拉高，势垒消失，浮动扩散电容FD与复位晶体管漏极RD之间的横向电场将电荷从浮动扩散电容FD转移到复位晶体管漏极RD，复位操作激活，浮动扩散电容FD处于复位状态。
本发明针对传统的4T有源像素转换增益较低的问题，设计了增加FD节点与复位栅极（RG）之间的间距，消除了FD跟RG的交叠电容，从而降低了FD节点电容，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益。此外该结构可通过控制对复位栅极上的RST电压来控制栅下电势，从而完成对FD的复位操作。本发明保护的关键点在于改进复位栅极的结构及其工作方式。
本发明的优势：
本发明在传统4T有源像素的基础上，通过增加FD节点与复位栅极（RG）之间间距，消除了FD跟复位栅极（RG）的交叠电容，降低了FD节点总电容，提升了转换增益；FD与RG之间没有交叠，在工艺中FD区域的长度不会受到FD上方接触孔与RG之间距离要求的限制，FD可以实现更小的尺寸，进一步提升了转换增益，最终实现高灵敏度感光。
实施例1
图1是传统的4T有源像素结构图（现有技术），FD节点的电容包括FD的p-n结电容C1，FD跟传输门（TG）的交叠电容C2，FD跟复位栅极（RG）的交叠电容C3，源跟随器（Msf）的栅极电容C4以及金属线间的电容C5。
图2为本发明提供的高灵敏度像素结构图，像素包括P型衬底（P-Sub），SiO2层，钳位光电二极管（PPD），传输晶体管栅极（TG），浮动扩散电容（FD），复位晶体管的栅极（RG），复位晶体管的漏极（RD），源极跟随器Msf，选通晶体管Mrs以及列总线col_line。其中PPD、FD、RD为制作在衬底P-Sub上的扩散区域，P-Sub上覆盖SiO2层，TG、RG为制作在SiO2之上的多晶硅栅极区域；PPD作为传输晶体管的源极，FD作为传输晶体管的漏极，TG作为传输晶体管的栅极，FD同时作为复位晶体管的源极，RD作为复位晶体管的漏极，RG作为复位晶体管的栅极。FD区域靠近栅极RG一侧的边界与栅极RG靠近FD一侧的边界距离为L，L以两者边界远离为正，将两者边界之间的区域记为R。为了降低FD与复位晶体管的栅源耦合电容，本发明中两者边界距离L＞0，由此消除了FD区域与栅极RG的栅源电容。FD节点通过金属导线连接到Msf的栅极，Msf的源极与Mrs的漏极相连，Msf的漏极接电源电压，Mrs的源极与列总线col_line相连。
其中钳位光电二极管（PPD）的长度为1.2µm；传输晶体管栅极（TG）和复位晶体管栅极（RG）的长度为0.5µm，TG和RG的厚度为0.02µm；浮动扩散电容（FD）和复位晶体管的漏极（RD）的长度为0.6µm，FD和RD的厚度为0.2µm；边界距离L为0.3µm。
像素中各个元器件的作用如下：PPD用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在PPD中；传输晶体管用于将PPD中积累的光生电荷在时序控制下转移到FD节点；复位晶体管用于在像素复位操作阶段将FD节点电压复位；Msf和Mrs将FD点的电压值输出到列总线col_line，用于图像传感器读出电路读取像素的信号值。像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管。
图3为本发明提供的高灵敏度像素的工作时序图，以像素第N帧的时序来进行说明。首先，在复位阶段，RG的电压信号（RST）置为高电平，持续2µs，TG的电压信号（TX）置为高电平，持续1µs，实现对PPD和FD的复位。然后，在曝光阶段，像素进行曝光，持续30ms，PPD中产生光生电荷。曝光结束后，在读出阶段，RS的电压信号（SEL）始终置为高电平，持续30ms，选通开关一直开启，FD节点的电压通过源极跟随器传输到列总线col_line。RST置为高电平，持续1µs，复位晶体管开启，通过拉高栅下以及RG与FD间区域电势，实现对FD节点复位；RST置为低电平，复位晶体管关闭，复位结束，此时FD节点的复位电压（Vrst）传输到列总线col_line。TG的电压信号（TX）置为高电平，持续1µs，传输管开启，累积在PPD中的光生电荷转移到FD区域，此时FD节点的信号电压（Vsig）传输到列总线col_line。
图4为高灵敏度像素中RST为高电平和低电平时FD与RD之间电势的分布图，电压信号（RST）加在RG上，RST置于低电平时，FD和RD之间的区域存在较高的势垒，阻止了FD中电荷转移，FD处于非复位状态；RST置于高电平时，RG栅下形成N型沟道，FD与RG之间区域R的电势被同步拉高，势垒消失，FD与RD之间的横向电场将电荷从FD转移到RD，复位操作激活，FD处于复位状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种4T有源像素结构，其特征在于：包括P型衬底、SiO2层、钳位光电二极管PPD、传输晶体管栅极TG、浮动扩散电容FD、复位晶体管栅极RG、复位晶体管漏极RD、源极跟随器Msf、选通晶体管Mrs和列总线col_line；
所述钳位光电二极管PPD、浮动扩散电容FD、复位晶体管漏极RD均设置于P型衬底上的扩散区域，所述P型衬底上层覆盖有SiO2层，所述传输晶体管栅极TG、复位晶体管栅极RG设置于SiO2层的多晶硅栅极区域；所述钳位光电二极管PPD为传输晶体管的源极，所述浮动扩散电容FD为传输晶体管的漏极，所述浮动扩散电容FD为复位晶体管的源极；所述浮动扩散电容FD节点通过金属导线连接到源极跟随器Msf的栅极，所述源极跟随器Msf的源极与选通晶体管Mrs的漏极相连，所述源极跟随器Msf的漏极接电源VDD，所述选通晶体管Mrs的源极与列总线col_line相连；
所述浮动扩散电容FD区域靠近复位晶体管栅极RG一侧的边界与复位晶体管栅极RG靠近浮动扩散电容FD一侧的边界距离为L，所述L＞0，将两者边界之间的区域记为R。
2.根据权利要求1所述的一种4T有源像素结构，其特征在于：所述传输晶体管、复位晶体管、源极跟随器Msf、选通晶体管Mrs均采用NMOS晶体管。
3.根据权利要求1所述的一种4T有源像素结构，其特征在于：所述传输晶体管栅极TG连接到电压信号TX。
4.根据权利要求1所述的一种4T有源像素结构，其特征在于：所述复位晶体管栅极RG连接到电压信号RST。
5.根据权利要求1所述的一种4T有源像素结构，其特征在于：所述复位晶体管漏极RD接电源VDD。
6.根据权利要求1所述的一种4T有源像素结构，其特征在于：所述源极跟随器Msf的栅极连接到输入信号RS。
7.应用于权利要求1-6任一所述的一种4T有源像素结构的工作方法，包括以下步骤：
S1、将像素结构工作的一帧周期分为三个阶段，分别为复位阶段、曝光阶段、读出阶段；
S2、执行复位阶段；
S3、执行曝光阶段；
S4、执行读出阶段。
8.根据权利要求7所述的一种4T有源像素结构的工作方法，其特征在于：在步骤S2中的执行复位阶段包括以下步骤：
S21、复位晶体管栅极RG的电压信号RST和传输晶体管栅极TG的电压信号TX置为高电平；
S22、钳位光电二极管PPD和浮动扩散电容FD复位，曝光开始。
9.根据权利要求8所述的一种4T有源像素结构的工作方法，其特征在于：在步骤S3中的执行曝光阶段包括以下步骤：
S31、像素结构进行曝光；
S32、钳位光电二极管PPD中产生光生电荷；
S33、曝光阶段结束，曝光完成。
10.根据权利要求9所述的一种4T有源像素结构的工作方法，其特征在于：在步骤S4中的执行读出阶段包括以下步骤：
S41、输入信号RS的电压信号SEL置为高电平，选通晶体管Mrs导通；
S42、浮动扩散电容FD节点的电压通过源极跟随器Msf传输到列总线col_line；
S43、电压信号RST置为高电平，复位晶体管开启，拉高复位晶体管栅极RG与浮动扩散电容FD之间区域电势，激活浮动扩散电容FD节点复位操作，浮动扩散电容FD处于复位状态；
S44、电压信号RST置为低电平，复位晶体管关闭，浮动扩散电容FD复位结束；
S45、浮动扩散电容FD节点的复位电压Vrst传输到列总线col_line；
S46、传输晶体管栅极TG的电压信号TX置为高电平，传输晶体管开启，累积在钳位光电二极管PPD中的光生电荷转移到浮动扩散电容FD区域；
S47、浮动扩散电容FD节点的信号电压Vsig传输到列总线col_line。
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| CN202310046392.4A Pending CN115799289A (zh) | 2023-01-31 | 2023-01-31 | 一种4t有源像素结构及其工作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115799289A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102387316A (zh) * | 2010-08-31 | 2012-03-21 | 比亚迪股份有限公司 | 一种高动态范围的像素单元及图像传感器 |
| CN108140652A (zh) * | 2015-03-05 | 2018-06-08 | 达特茅斯学院 | 图像传感器像素的无栅极复位 |
| CN112397530A (zh) * | 2019-08-12 | 2021-02-23 | 天津大学青岛海洋技术研究院 | 一种提高电荷电压转换增益的四管有源像素结构 |
-
2023
- 2023-01-31 CN CN202310046392.4A patent/CN115799289A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102387316A (zh) * | 2010-08-31 | 2012-03-21 | 比亚迪股份有限公司 | 一种高动态范围的像素单元及图像传感器 |
| CN108140652A (zh) * | 2015-03-05 | 2018-06-08 | 达特茅斯学院 | 图像传感器像素的无栅极复位 |
| CN112397530A (zh) * | 2019-08-12 | 2021-02-23 | 天津大学青岛海洋技术研究院 | 一种提高电荷电压转换增益的四管有源像素结构 |
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