DE19641305A1 - Aktive Pixelsensorzelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine aktive Pixelsensorzelle nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Abbildungsschaltkreise sind als ladungsgekoppelte
Schaltungen (CCD′s) ausgeführt, um ein Pixel an Lichtenergie in ein
elektrisches Signal umzuwandeln, das die Intensität der Lichtenergie re
präsentiert. Allgemein verwenden CCD′s ein Photogate, um Lichtenergie zu
sammeln, und eine Reihe von Elektroden, um die am Photogate gesammelte
Ladung an einen Ausgangsknotenpunkt zu übertragen.
Obwohl CCD′s einige Vorteile wie hohe Sensitivität und hohen
Füllfaktor aufweisen, ist auch eine Reihe von Nachteilen, etwa eine be
grenzte Ausleserate und ein begrenzter dynamischer Bereich sowie der
Schwierigkeit, die CCD′s in Mikroprozessoren auf CMOS-Basis zu integrie
ren, damit verbunden.
Um diese Probleme zu beseitigen, wurden aktive Pixelsensorzel
len entwickelt, bei denen ein Photogate mit einer Anzahl von aktiven
Transistoren kombiniert wird, die zusätzlich zum Formen eines elektri
schen Signals eine Verstärkung, eine Auslese- und eine Rückstellsteue
rung liefern.
Eine derartige Pixelsensorzelle umfaßt neben dem Photogate ei
nen Rückstelltransistor, ein Transfergate zwischen der Source des Rück
stelltransistors und dem Photogate, einen Lesetransistor, dessen Gate
mit der Source des Rückstelltransistors verbunden ist, und einen Zu
grifftransistor. Hierbei findet zunächst eine Bildintegration statt,
während der Lichtenergie durch das Photogate gesammelt wird, und danach
ein Signalauslesen stattfindet, bei dem die gesammelte Energie in ein
elektrisches Signal konvertiert wird, das ausgelesen wird. Während der
Bildintegration wird eine positive Spannung an das Photogate und eine
kleinere positive Spannung an das Transfergate gelegt. Auftreffende Pho
tonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, deren Elektronen aufgrund der posi
tiven Spannung am Photogate unter diesem gesammelt werden. Gleichzeitig
wird eine positive Spannung an das Gate des Rückstelltransistors gelegt,
um das Antiblooming zu steuern, indem es überschüssiger Ladung erlaubt
wird, zum Drain des Rückstelltransistors zu fließen. Zusätzlich wird der
Zugrifftransistor abgeschaltet. Nach der Bildintegration wird ausgele
sen, indem zunächst der Zugrifftransistor eingeschaltet wird. Danach
wird die Source des Rückstelltransistors durch kurzes Pulsen des Gates
des Rückstelltransistors mit einer positiven Spannung zurückgestellt.
Dies setzt die Source des Rückstelltransistors auf eine Anfangsspannung
zurück. Danach wird das Photogate auf low (0 V) gepulst, um die unter
dem Photogate gespeicherte Ladung zur Source des Rückstelltransistors zu
übertragen, der seinerseits den durch den Lesetransistors fließenden
Strom moduliert. Hierbei werden nur MOS-Transistoren verwendet, so daß
ein Integration in CMOS-Systeme möglich ist. Jedoch ist die Größe dieser
gegenüber CCD′s bereits kleineren Pixelsensorzelle noch relativ groß.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pixelsensorzelle nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, deren Größe wesentlich redu
ziert ist.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 gelöst.
Auf diese Weise werden alle Funktionen der Pixelsensorzelle in
einem einzelnen MOS-Transistor mit gespaltenem Gate integriert, wodurch
sich die Größe wesentlich reduzieren läßt. Im Betrieb erhöhen auf einen
Bildsammelbereich fallende Photonen dessen Potential, wodurch das Poten
tial eines floatenden Gates des MOS-Transistors erhöht wird. Hierdurch
wird die Schwellenwertspannung für einen Pixeltransistor erniedrigt, wo
durch der Strom, der durch diesen Transistor gesourced wird, wenn eine
Lesespannung über ein Steuergate angelegt wird, proportional zur empfan
genen Lichtenergie ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten
Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1A zeigt eine Draufsicht auf ein Paar von aktiven Pixel
sensorzellen.
Fig. 1B zeigt einen Schnitt längs der Linie 2A-2A von Fig. 1A.
Bei dem in Fig. 1A und 1B dargestellten Paar von aktiven Pi
xelsensorzellen 100 umfaßt jede Pixelsensorzelle 100 einen Pixeltransi
tor 102 mit gespaltenem Gate und ein Rückstellgate 104. Die Pixeltransi
storen 102, die die Bildinformation für ein einzelnes Pixel liefern, um
fassen voneinander getrennte Source- und Drainbereiche 106 bzw. 108, die
in einem p-leitenden Halbleitersubstrat 110 ausgebildet sind. Die Sour
ce- und Drainbereiche 106 und 108 definieren ihrerseits einen Kanalbe
reich 112 im Halbleitersubstrat 110.
Zusätzlich umfaßt der Pixeltransistor 102 einen p+-Bereich
114, der in dem Drainbereich 108 ausgebildet ist, ein floatendes Gate
116 und ein Steuergate 118. Das floatende Gate 116, das elektrisch mit
dem p+-Bereich 114 verbunden ist, ist über einem ersten Abschnitt 112A
des Kanalbereichs 112 und einem Abschnitt des Drainbereichs 108 ausge
bildet sowie vom Kanalbereich 112 und Drainbereich 108 durch eine die
lektrische Schicht 122 isoliert.
Das Steuergate 118 ist seinerseits über einem zweiten Ab
schnitt 112B des Kanalbereichs 112 und einem Abschnitt des floatenden
Gates 116 ausgebildet sowie gegenüber dem Kanalbereich 112 durch eine
dielektrische Schicht 122 und gegenüber dem floatenden Gate 116 durch
eine weitere dielektrische Schicht 124 isoliert.
Das Rückstellgate 104 ist über einem Abschnitt des Drainbe
reichs 108 ausgebildet, der an das Halbleitersubstrat 110 und den p+-Bereich
114 angrenzt. Zusätzlich ist das Rückstellgate 104 vom Drainbe
reich 108 durch die Schicht 122 isoliert.
Im Betrieb wird vor der Bildintegration die Spannung am p+-Bereich
114 und floatenden Gate 116 zurückgestellt, damit sie gleich der
am Halbleitersubstrat 110 anliegenden Vorspannung ist. Dies geschieht,
indem vorteilhaft ein parasitärer p-Kanal-Transistor genutzt wird, der
zwischen dem p-leitenden Halbleitersubstrat 110 und dem p+-Bereich 114
gebildet wird.
Wenn daher Masse Vss an das Halbleitersubstrat 110 und das
Steuergate 118 gelegt wird, wird eine positive Vorspannung Vcc an den
Drainbereich 108 und eine negative Rückstellspannung Vreset an das Rück
stellgate 104 angelegt. Löcher aus dem Drainbereich 108 werden zur Ober
seite des Drainbereichs 108 gezogen, der seinerseits einen leitenden Ka
nal zwischen dem p+-Bereich 114 und dem Halbleitersubstrat 110 bildet.
Hierdurch wird die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116
auf einen Wert fallen, der etwa gleich Masse Vss ist.
Nachdem die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116
auf die Substratspannung abgesenkt ist, werden der p+-Bereich 114 und
das floatende Gate 116 durch Änderung der negativen Rückstellspannung
Vreset auf eine positive Spannung, z. B. Vcc, floatend, wodurch anderer
seits der im Drainbereich 108 eingeschlossene, leitende Kanal beseitigt
wird. Daher wird der Obergang zwischen dem p+-Bereich 114 und dem Drain
bereich 108, der eine Photodiode zum Sammeln von Bildladungen bildet,
anfänglich durch Absenken der Spannung am p+-Bereich 114 in bezug auf
die Spannung am Drainbereich 108 (der mit der positiven Vorspannung Vcc
verbunden ist) umgekehrt vorgespannt.
Wenn die Spannung am p+-Bereich 114 und floatenden Gate 116
rückgesetzt ist, besteht der nächste Schritt im Beginn der Bildintegra
tion. Während dieser treffen Photonen auf die Oberfläche des p+-Bereichs
114 und erzeugen dadurch eine Anzahl von Elektron-Loch-Paaren. Die An
zahl hiervon ist eine Funktion der Intensität der empfangenen Lichtener
gie.
Die photoerzeugten Elektronen werden ihrerseits zum Drainbe
reich 108 aufgrund des eingebauten elektrischen Feldes in dem Übergang
gelenkt. Dieser Verlust an Elektronen hebt seinerseits das Potential des
p+-Bereichs 114 und des floatenden Gates 116. Ähnlich werden einige der
photoerzeugten Löcher, die durch Photonen gebildet werden, in den p+-Bereich
114 gelenkt, wodurch das Potential des p+-Bereichs 114 und des
floatenden Gates 116 weiter erhöht wird.
Wenn das Potential des floatenden Gates 116 ansteigt, fällt
die Schwellenwertspannung des Pixeltransistors 102. Daher ist die Größe
der Schwellenwertspannung proportional zur Anzahl von Photonen, die auf
den p+-Bereich 114 vom Beginn der Integrationsperiode bis zu ihrem Ende
gefallen sind.
Nachdem die Integrationsperiode beendet ist, wird jede Pixel
sensorzelle 100 durch Anlegen einer positiven Lesespannung Vread an das
Steuergate 118 gelesen. Das Anlegen der Lesespannung Vread an das Steu
ergate 118 induziert die Bildung eines leitenden Kanals an der Oberseite
des Kanalbereichs 112 des Halbleitersubstrats 110. Der leitende Kanal
erlaubt das Fließen eines Stroms vom Drainbereich 108 zum Sourcebereich
106 (die Elektronen fließen vom Sourcebereich 106 zum Drainbereich 108).
Aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen dem Steuergate 118
und dem floatenden Gate 116 moduliert das Potential des floatenden Gates
116 die Größe des Stroms. Je mehr Photonen daher auf den p+-Bereich 114
während der Integrationsperiode fallen, umso mehr steigt das Potential
des floatenden Gates 116 an, wodurch wiederum die Größe des Stroms, der
vom Drainbereich 108 zum Sourcebereich 106 fließt, ansteigt, wenn die
Lesespannung Vread angelegt wird.
Wenn beispielsweise der Sourcebereich 106 an Masse liegt, wird
eine positive Spannung Vcc an den Drainbereich 108 gelegt, während eine
Lesespannung Vread von etwa Vcc an das Steuergate 118 gelegt wird, wird
der Stromausgang vom Pixeltransistor 102 eine Höhe unter schlechten
Lichtbedingungen und eine sehr viel größere Höhe bei hellem Licht besit
zen.
Wenn zusätzlich der p+-Bereich 114 sehr hellem Licht ausge
setzt wird, wird automatisch eine Steuerung gegen Überstrahlung gelie
fert, die das Maximumpotential, das der p+-Bereich 114 erreichen kann,
begrenzt, wenn der p+-Bereich 114 in bezug auf den Drainbereich 108 in
Durchlaßrichtung vorgespannt ist.
Da die positive Spannung Vcc an den Drainbereich 108 angelegt
wird, wird der p+-Bereich 114 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn das
Potential des p+-Bereichs 114 etwa 0,7 V größer als die Spannung Vcc
ist. Hierdurch reicht der dynamische Bereich der Pixelsensorzelle 100
von 0 V bis etwa Vcc +0,7 V. Zusätzlich kann die Pixelsensorzelle 100
derart gestaltet werden, daß sie mit niedrigem Vcc, z. B. von 2,5 oder
3,3 V, arbeitet. Daher wird ein großer dynamischer Bereich geliefert,
der zudem einstellbar ist.
Vorteilhaft ist auch, daß die kapazitive Kopplung zwischen dem
Steuergate 118 und dem floatenden Gate 116 durch Änderung des Ausmaßes,
in dem das Steuergate 118 das floatende Gate 116 überlappt, variiert
werden kann. Durch Variieren der kapazitiven Kopplung kann der Punkt, an
dem der Pixeltransistor 102 zu leiten beginnt, variiert werden.
Um sicherzustellen, daß das untere Ende des dynamischen Be
reichs erreichbar ist, kann die kapazitive Kopplung variiert werden, um
sicherzustellen, daß der Pixeltransistor 102 einen Strom selbst dann
leitet, wenn das Potential am floatenden Gate 116 am unteren Ende des
dynamischen Bereichs liegt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Variieren des
Dotierungspegels und des Dotierungsprofils des n-leitenden Drainbereichs
108 das eingebaute elektrische Feld und die Sperrschicht zum effiziente
ren Sammeln von Löchern und Elektronen optimiert werden können, wodurch
das ansteigende Potential des p+-Bereichs 114 stärker auf die empfange
ne Lichtenergie anspricht. Die Pixelsensorzelle 100 zeigt dann die Fä
higkeit, die Größe des Stromausgangs am Pixeltransistor 102 auf die Pho
tointensität des empfangenen Lichts abzustimmen.
Die Pixelsensorzelle 100 hat eine wesentlich verminderte Größe
(der einzige MOS-Transistor reduziert die Größe um das Dreifache gegen
über üblichen MOS-Pixel-Anordnungen), liefert ein automatisches Anti
blooming oder einen automatischen Überstrahlungsschutz und einen breiten
dynamischen Bereich. Da nur MOS-kompatible Strukturen verwendet werden,
sind die Pixelsensorzellen 100 leicht in Standard-CMOS-Herstellungsprozesse
integrierbar.
Die gleiche Struktur kann mit entgegengesetzter Polarität ver
wirklicht werden, wenn die Vorspannungen entsprechend umgekehrt werden.
Die Verwendung eines p-Kanal-Pixeltransistors 102 ist vorteilhaft, weil
die gängige CMOS-Technologie eine Oberflächenkanal-NMOS-Einrichtung und
eine PMOS-Einrichtung mit vergrabenem Kanal liefert. Da das Rauschen ei
ner Oberflächenkanal-NMOS-Einrichtung stärker als bei einer PMOS-Einrichtung
mit vergrabenem Kanal ist, liefert eine PMOS-Einrichtung einen
geringen Rauschpegel. Diese Eigenschaft ist besonders für Anwendungen
bei geringen Lichtintensitäten wichtig.
Claims (3)
1. Aktive Pixelsensorzelle (100), die in einem Halbleitersub
strat (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist und einen
Bildsammelbereich (114) und eine Rückstelleinrichtung aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Pixeltransistor (102) mit einem
Source- und einem Drainbereich (106, 108) eines zweiten Leitfähigkeits
typs, die zueinander beabstandet sind und zwischen denen ein Kanalbe
reich gebildet ist, vorgesehen ist, wobei
der Bildsammelbereich (114) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Drainbereich (108) ausgebildet ist,
ein erstes leitendes Gate (116), mit dem Bildsammelbereich (114) elektrisch verbunden, über einem ersten Abschnitt (112A) des Ka nalbereichs und einem Abschnitt des Drainbereichs (108), von dem es durch eine dielektrische Schicht (122) getrennt ist, ausgebildet ist,
ein zweites leitendes Gate (118) über einem zweiten Abschnitt (112B) des Kanalbereichs und einem Abschnitt des ersten leitenden Gates (116) ausgebildet ist, wobei das zweite leitende Gate (118) über dem zweiten Abschnitt (112B) des Kanalbereichs hiervon durch eine zweite dielektrische Schicht (122) und von dem ersten leitenden Gate (116) durch eine dritte dielektrische Schicht (124) getrennt ist, und
die Rückstelleinrichtung durch ein Rückstellgate (104) gebil det wird, das über einem Abschnitt des Drainbereichs (108), der sich be nachbart zum Bildsammelbereich (1914) befindet, und dem Halbleitersub strat (110) angeordnet ist, wobei das Rückstellgate (104) vom Drainbe reich (108) durch eine vierte dielektrische Schicht (122) getrennt ist.
der Bildsammelbereich (114) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Drainbereich (108) ausgebildet ist,
ein erstes leitendes Gate (116), mit dem Bildsammelbereich (114) elektrisch verbunden, über einem ersten Abschnitt (112A) des Ka nalbereichs und einem Abschnitt des Drainbereichs (108), von dem es durch eine dielektrische Schicht (122) getrennt ist, ausgebildet ist,
ein zweites leitendes Gate (118) über einem zweiten Abschnitt (112B) des Kanalbereichs und einem Abschnitt des ersten leitenden Gates (116) ausgebildet ist, wobei das zweite leitende Gate (118) über dem zweiten Abschnitt (112B) des Kanalbereichs hiervon durch eine zweite dielektrische Schicht (122) und von dem ersten leitenden Gate (116) durch eine dritte dielektrische Schicht (124) getrennt ist, und
die Rückstelleinrichtung durch ein Rückstellgate (104) gebil det wird, das über einem Abschnitt des Drainbereichs (108), der sich be nachbart zum Bildsammelbereich (1914) befindet, und dem Halbleitersub strat (110) angeordnet ist, wobei das Rückstellgate (104) vom Drainbe reich (108) durch eine vierte dielektrische Schicht (122) getrennt ist.
2. Pixelsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzschicht zwischen Bildsammelbereich (114) und Drainbereich
(108) eine Photodiode bildet.
3. Pixelsensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bildsammelbereich (114) ein p+-Bereich ist.
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