TW201503335A

TW201503335A - 具有抗模糊閘門的影像感測器

Info

Publication number: TW201503335A
Application number: TW103106058A
Authority: TW
Inventors: Frederic Barbier; Frederic Mayer
Original assignee: E2V Semiconductors
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-01-16
Also published as: WO2014131704A1; ES2843676T3; EP2962330A1; CA2902261A1; FR3002691B1; CA2902261C; PT2962330T; JP2016510191A; FR3002691A1; CN105027287A; EP2962330B1; US10062725B2; US20160005785A1

Abstract

本發明關於主動像素電子影像感測器。該像素包含設計在半導體主動層(12)中並維持在零基準電位的光二極體(PH)，及在該主動層上方之在一側相鄰於該光二極體且在另一側相鄰於排空汲極(22)的反模糊閘門(G5)。該感測器包含在大部分的該積集持續時間期間，將在該閘門下方產生第一高度之電位屏障的阻遏電位施加至該反模糊閘門，且在該積集持續時間之外的一系列短脈衝期間，將產生比第一高度低的第二高度之電位屏障的反模糊電位施加至該反模糊閘門的機構。在該等短脈衝期間僅施加該反模糊電壓的事實降低由閘門及光二極體之間的電場之穿隧效應所感應的暗雜訊。

Description

具有抗模糊閘門的影像感測器

本發明關於主動像素電子影像感測器。

此等感測器使用排列成行列的像素陣列，在各像素中具有光敏元件及數個電晶體。

一種有利的像素設計係如圖1所示的設計，具有：-pin型光二極體PH，-電荷儲存節點ND，其係電容的等效實體，-轉移電晶體T1，用於將該光二極體與該儲存節點絕緣，或相反地為了在此轉移之後量測該儲存節點的電位，授權將電荷從該光二極體轉移至該儲存節點，-電荷讀出電晶體T2，裝備為電壓隨動器，具有其閘極鏈接至該儲存節點以容許該儲存節點的電位轉移至該電晶體源極，-儲存節點重設電晶體T3，為了量測該儲存節點在由該光二極體輸出之電荷存在時及由該光二極體輸出之電荷不存在時的電位之間的差，致能將該儲存節點的電位設定成基準值以量測此基準電位，-像素選擇電晶體T4，由逐列定址導體SEL控制，致能將讀出電晶體T2之源極的電位轉移至行導體COL；該列導體SEL共用於一列的所有像素及相同像素列；該行導體COL共用於一行的所有像素及相同像素行，-最後，額外電晶體T5，其可具有下列二功能的一者及/或另一者：在過度強發光的情形中，將該光二極體中的過剩電荷排空，或在新的積集週期開始之前，藉由完全地清空累積電荷而重設該光二極體的電位，使得其返回至其無載電位。

將注意到使用術語「電晶體」以協助理解電路圖，諸如，圖1的圖。然而，在像素的實體設計中，此等電晶體不一定以與像素的其他元件無關地具有源極區域、汲極區域、將該源極與該汲極分開的通道區域、及在該通道上方的絕緣閘極的習知方式設計。在該像素的實際實體設計中，在現實中將部分電晶體設計成在本質上具有可將控制電位施加至其的絕緣閘極。因此，例如，轉移電晶體T1設計有與基板絕緣的轉移閘極G1，在位於光二極體PH及構成該電荷儲存節點的n⁺-型擴散之間的區域上方；電晶體T1的源極係該光二極體；該電晶體的汲極係該電荷儲存節點。

因此，圖2顯示形成在，例如，p⁺型之半導體基板10中的該像素之實體設計的剖面圖。該基板包括在其上部分中之電子儲存及行進於其中的p-型半導體主動層12。

光二極體PH設計有擴散在該主動層中的n-型區域14。其以小深度、比該主動層摻雜得更重、並設定為該基板之電位的p⁺-型表面區域16覆蓋為佳，在下文中將其視為零電位基準。

電荷儲存節點ND設計有在該主動層中的n⁺-型擴散18。將用於連接至該讀出電晶體T2之閘極的接點產生在其上部分中，在圖2中以符號形式顯示。

轉移電晶體T1設計有配置在主動層12之在光二極體14區域及構成該儲存節點的擴散18之間的部分上方的絕緣轉移閘極G1。

儲存節點重設電晶體T3設計有位於主動層12上方的絕緣閘極G3，在擴散18及構成設定為基準電位Vref之汲極的另一n⁺-型擴散20之間。

光二極體重設電晶體T5設計有絕緣閘極G5，位於光二極體PH(擴散區域14、16)及構成設定為基準電位之汲極的n⁺-型擴散22之間的該主動層上方，該基準電位可能與或可能不與擴散20的電位Vref相同。此處，為了簡化，將其視為包含相同電位Vref。

最後，讀出電晶體T2及選擇電晶體T4之間的實體設計未顯示在圖2中。電晶體T2設計有源極區域、汲極區域、及在二者之間的絕緣閘極；該源極區域係也作為選擇電晶體T4之源極區域使用的n⁺-型擴散；電晶體T2的汲極區域係設定為也可係電位Vref之供應電壓的n⁺-型擴散；該閘極由導體鏈接至儲存節點ND。電晶體T4包含與其源極遠離之係鏈接至行導體COL的n⁺-型擴散的汲極，及鏈接至列導體SEL的閘極。

在此像素中，閘極G1及G3可用於同時重設該儲存節點的電位及該光二極體的電位；為作到此，將此等閘極設定成足夠的正電位，以使儲存在該儲存節點中或該光二極體之任一者中的所有電子流至由區域20及22構成的該等汲極中。或者，可能將藉由閘極G5分離地重設該光二極體並藉由閘極G3重設該儲存節點。

但在考慮到閘極G5時，可將另一功能提供給其，該功能係在產生自該光二極體之發光的電荷之積集時間期間的反模糊功能。已知由該發光產生的電子累積在該光二極體中並填充產生在該光二極體之區域中的電位井，逐漸地降低後者的陰極電位。此井的層級由該光二極體的設計決定(摻雜值、深度等)。該電位井之邊緣的高度由圍繞該光二極體之電位屏障的高度決定；此等屏障由在該電荷積集週期期間施加至閘極G1及G5的低電位並由該光二極體的實體邊緣(由於在此等邊緣上的p或p⁺植入，通常係0伏特的屏障)建立。在該井中累積的電荷保持於該處，直到將降低該電位屏障及授權電荷從該光二極體朝向該儲存節點通過的脈衝施加至閘極G1。

然而，若該發光甚強及/或若用於給定發光的該積集時間太長，在轉移電荷的該時刻之前可發生電荷完全填充該電位井的情形；若此發生，陰極電位下跌至低於其陽極電位。該光二極體停止以待反向偏壓，然後繼續由該發光產生的電荷直接倒入該主動層中。其由該相鄰像素的該光二極體收集並污染由此等像素量測的發光訊號。

為彌補此，取代將閘極G5設定為該電路的最低電位，將其設定為藉由將建立在閘極G5下方之電位屏障降低小量的略高電位。因此，當該光二極體下方的該電位井填滿時，過剩電荷通過此電位屏障上方並倒向其朝向至電位Vref之連接排空的汲極區域22。該光二極體下方的電位可永不到達該光二極體變為順向偏壓的此種低值。過剩電荷朝向在電位Vref的汲極離開，且不朝向該基板離開。

形成在閘極G5下方的電位屏障對該電位井必須係足夠高的，以能收集足夠用於該發光量測的電荷量，但不能太高以避免該光二極體變為順向偏壓。將回憶當電荷係電子時，其係最常見的情形，該電位越高，形成在該半導體主動層內側的該等電位井全部越深，且在該半導體中的該等電位越低，圍繞該等電位井的該等電位屏障全部越高。典型地，為在閘極G5下方建立電位屏障，可能選擇高於該基板電位，大致等於電晶體T5之臨界電壓的閘極電位位準，例如，約0.6至1.1伏特(依據摻雜、閘極絕緣體厚度等)。

然而，使用此種裝置，現在將解釋已受注意及本發明意圖移除或至少大程度地降低的缺點。

若施加至閘極G5的電位係0.6至1.1伏特，在閘極G5下方之主動層12中的電位將係正的，例如，約等於 0.2伏特。然後在朝向藉由表面區域16維持在0伏特之該光二極體的邊緣之該矽表面的該閘極下方存在強區域電場。此電場藉由降低該半導體的禁帶並因此藉由增加電子通過進入該傳導帶的可能性而作用。此係帶-至-帶穿隧的物理效應，其產生漏電流。電子在該閘極下方產生，而無需該發光作為成因；彼等將儲存在具有最高電位的該光二極體中。可將此電流比作暗電流，因為其與該發光無關地存在。具體地說由於在該閘極下方之該電位及該光二極體的該表面電位之間的差的存在，當期望偵測到弱發光時，此暗電流特別惱人。若該閘極下方的該電位係零，其可係數百倍高。

施加至閘極G5的電壓離零越遠，此現象越強，但該閘極電壓係由該技術給定、期望之反模糊位準所強加。若該技術將0.6至0.9伏特的閘極電壓給予電晶體T5，該暗電流可非常高。一種解決方案會係產生具有幾乎零臨界電壓的電晶體T5，但會使堅持該電路的所有電晶體具有接近零的臨界電壓或提供用於製造電晶體T5的特定製造步驟之任一者成為必要。

為避免此暗電流現象而仍同時具有以良好狀況完成其反模糊功能的閘極，本發明建議在一系列短脈衝期間將供應該反模糊功能的正電位施加至該反模糊閘極而在積集的完整持續時間週期則否，在此等脈衝外側及該光二極體電位之任何可能重設相位外側，將該閘極維持在零(或甚至係負)電位。在此等短脈衝期間，該惱人電場存在，但其影響遠弱於若其存在於該積集的完整持續時間期間。若該發光甚強，該等短脈衝將過剩電荷清空，但此清空不必係持續性的；其時而發生以防止該電位井溢流即可。

因此本發明提議一種用於控制影像感測器之像素的方法，其中該影像感測器的各像素包含藉由維持在零基準電位之相反型表面區域所覆蓋的第一導電型摻雜區域形成在半導體主動層中的至少一光二極體，及在該主動層上方之在一側相鄰於該光二極體且在另一側相鄰於用於排空電荷之汲極的反模糊閘門，該感測器使用經決定積集持續時間在各週期中的週期週期地操作，此方法的特徵係在大部分的該積集持續時間期間，將該反模糊閘門設定成在該閘門下方的該主動層中產生第一高度之電位屏障的阻遏電位，且在該積集持續時間之外的一系列短脈衝期間，設定成在該閘門下方產生比第一高度低的第二高度之電位屏障的反模糊電位，此後一電位屏障保持代表在該光二極體中高達模糊臨界之該發光的電荷。

該阻遏電位等於該零基準電位為佳，但其甚至可係負的。該反模糊電位(對p-型主動層)係正的，且在0.5及0.9伏特之間為佳。該積集持續時間對該等脈衝之累積持續時間的比率大於或等於20為佳，亦即，該等脈衝僅佔據該積集持續時間的小部分。該等脈衝係週期的為佳，且該等脈衝的週期對該等脈衝之持續時間的負載率大於或等於20。該週期可係矩陣感測器之像素列的讀出週期，其中該等列陸續地讀取。

因此，在多數的積集持續時間期間，上文提及之由該閘極感應之電場所導致的暗電流現象不會發生，在該閘極下方的電位仍維持零。該現象僅在該短暫反模糊脈衝期間發生。

本發明也關於一種影像感測器，包括像素陣列，各像素包含使用由維持在零基準電位之相反型表面區域覆蓋的第一導電型摻雜區域設計在半導體主動層中的至少一光二極體，及在該主動層上方之在一側相鄰於該光二極體且在另一側相鄰於用於排空電荷之汲極的反模糊閘門，該感測器使用經決定積集持續時間在各週期中的週期週期地操作，該感測器的特徵係其包含在大部分的該積集持續時間期間，將在該閘門下方產生第一高度之電位屏障的阻遏電位施加至該反模糊閘門，且在一系列短脈衝期間，將在該閘門下方產生比第一高度低的第二高度之電位屏障的反模糊電位施加至該反模糊閘門的機構，此後一電位屏障保持代表在該光二極體中高達模糊臨界之該發光的電荷。該主動層以及該光二極體之該表面層係p型為佳。然後在該等反模糊脈衝外側施加至該閘極的電位係零(但可係負的)，且在該反模糊脈衝期間施加的該電位係正的。

在此描述中，辭句「排空汲極」照例界定消除電荷的區域而不係為了進行量測儲存電荷的區域。

將注意到該提供已在藉由包含該轉移閘極、該儲存節點、及該儲存節點重設電晶體產生該光二極體之反模糊的先前技術中產生(US20080122956A1,US 8 278 131)。此方法擾亂該儲存節點的正常操作，此外其不容許該像素以所謂的「電子捲動快門」或ERS以外的其他方式操作，其中影像的各列未在相同時間積集。

在專利公報US 20090127436A1中，將反模糊閘極電位位準設定為該發光的函數。

在專利公報JP H11 261896中，脈衝係在積集時刻之前而非在積集持續時間期間施加以重設閘極。

在專利公報WO 2006/119333中，將脈衝施加至與浮動擴散相鄰的電荷讀出閘極，但不施加至與排空汲極相鄰的反模糊閘極。

在專利公報2011/121162中，在積集持續時間期間，沒有接收脈衝的反模糊閘極。

10‧‧‧半導體基板

12‧‧‧p-型半導體主動層

14‧‧‧n-型區域

16‧‧‧擴散區域

18、20、22‧‧‧n⁺-型擴散

COL‧‧‧行導體

G1‧‧‧轉移閘極

G3、G5‧‧‧絕緣閘極

GR‧‧‧重設脈衝

L1、L2、L3、L4‧‧‧列

ND‧‧‧電荷儲存節點

PH‧‧‧光二極體

RD1、RD2、RD3、RD4‧‧‧讀出脈衝

RST‧‧‧重設脈衝

SEL‧‧‧列導體

SHR、SHS‧‧‧取樣脈衝

T1‧‧‧轉移電晶體

T2‧‧‧電荷讀出電晶體

T3‧‧‧儲存節點重設電晶體

T4‧‧‧像素選擇電晶體

T5‧‧‧額外電晶體

Ti‧‧‧積集持續時間

TRA‧‧‧轉移脈衝

Vae、Vm‧‧‧基準

Vph‧‧‧固定位準

VR‧‧‧正電位

Vref‧‧‧基準電位

本發明的其他特徵及優點將在參考隨附圖式閱讀以下的詳細描述時出現，其中：-圖1，已然描述，顯示具有五個電晶體之像素的習知電路圖；-圖2，然已描述，顯示該像素之實體設計的部分；-圖3顯示該像素之通用操作的時間圖；-圖4顯示在該電荷的積集持續時間期間形成在該主動層中的該電位井； -圖5顯示根據本發明的該感測器之操作的計時圖，具有電位圖在特定時刻的表示；-圖6顯示具有該等電位圖之另一操作模式的計時圖。

圖3顯示具有5個電晶體之使用該第五電晶體觸發該積集週期開始的像素之習知操作(在所謂的「總體快門」模式中的操作)的計時圖。該操作係具有框週期FR的週期性操作；積集的持續時間係少於FR的Ti。該框以立即施加至所有像素的電晶體T5之閘極G5的重設脈衝GR開始。該脈衝清空該等光二極體中之已由該光積集的電荷。脈衝GR的結束標記所有像素的共同積集持續時間Ti的開始。此持續時間的結束將由施加至轉移電晶體T1的閘極G1之轉移脈衝TRA的結束界定；共用於所有像素的此脈衝將該光二極體的積集電荷朝向該儲存節點轉移。

在積集持續時間的過程上，在脈衝TRA之前，將重設脈衝(列RST)施加至閘極G3以將包含在該儲存節點中的電荷清空。

在積集持續時間Ti之後，逐列讀取該等像素，將選擇訊號(列SEL)連續地曝光至該等列各者，以界定讀出時刻。此訊號在圖3中顯示為單一列；將其施加至電晶體T4的閘極。該讀出在位於各行腳部並鏈接至個別行導體COL的讀出電路中完成。該讀出電路顯然包含由脈衝shs 及shr控制的取樣電路，分別用於在轉移脈衝TRA之後取樣該行導體之有用電位位準及在重設後取樣該電位位準。該量測藉由在每一週期取得二樣本之間的差而實行。

由施用至此列的時隙SEL所界定之用於給定列的讀出相位連續地包含取樣脈衝shs的傳輸、用於重設受關注的該列之像素的儲存節點之脈衝RST的傳輸、及取樣脈衝shr的傳輸。藉由類比-至-數位轉換器轉換該等經取樣訊號之間的差。

圖4顯示在正常發光(在左側的A)的情形中及在過度發光(在右側的B)的情形中，在該積集週期期間該主動層中的電位的圖。

在缺少光產生電荷時，該光二極體的本質電位係界定形成在該光二極體中的電位井之底部的固定位準Vph。在積集相位期間施加至閘極G1及G5的低電位引起保持該光二極體之電荷並致能其累積的電位屏障。在閘極G1之該側上的電位屏障係最高的，在積集持續時間Ti期間將零電位施加至此閘極。為供應反模糊功能，在閘極G5之該側上的屏障較低，且為實現此，將正電位VR施加至閘極G5，例如，在0.6及1.1伏特之間。此等屏障位準在圖4中藉由基準Vm(在閘極G1下方的屏障)及基準Vae(在閘極G5下在的反模糊屏障)指示。

在積集持續時間期間過度發光的情形中(該圖式的右手部分)，或在積集持續時間過長的情形中，電荷可從該井溢流且其在閘極G5之屏障較低的側上溢流。其朝向電晶體T5的汲極22排空而沒有該光二極體電位位準下跌至低於零伏特的風險。閘極G5因此無疑地係使其可能朝向排空汲極排空的反模糊閘極，並消除過剩電荷，以避免其經由該轉移閘極朝向該儲存節點或更通常地朝向該主動層的矽離開。

根據本發明，為避免上述缺點，相關於非零電位VR存在於閘極G5上，閘極G5將在積集持續時間Ti期間的幾乎所有時間留在零電位，且反模糊電位VR將僅在該積集持續時間之過程上施用短瞬間。若電荷的溢流傾向於發生，此等脈衝將排空電荷。

圖5顯示對應的時間圖及關聯電位圖。反模糊功能外側的通常操作與圖3中相同，但顯示數個連續列L1、L2、L3、及L4的讀出以清楚地展示操作序列。

在其期間將閘極G5設定在高電位(例如，3伏特或5伏特)以清空該光二極體的電荷並開始積集持續時間Ti的重設脈衝GR的外側，可將閘極G5設定成係0伏特(或甚至係負電位)或正電位VR(例如，0.6伏特)之任一者的二種低電位。0伏特電位在積集持續時間期間的幾乎所有時間施加；電位VR僅在短暫，係週期脈衝為佳的期間施加。該週期可係連續列的讀出週期。

因此，在圖5中看見施加至閘極G5的三個電位：在積集週期開始的高正電位，然後在總體積集持續時間期間的0伏特電位及低正電位VR的一系列脈衝。如圖5所示，此系列脈衝也可在連續列L1、L2、L3、L4的讀出相位RD1、RD2、RD3、RD4等期間持續。但可能替代地在該讀出相位期間在該轉移脈衝TRA之後連續地施加該反模糊電位VR，因為只要新積集尚未開始，此時並沒有缺點。

已描繪該主動層中的四個電位圖；圖A及B對應於正常發光的情形，沒有溢流的風險。圖C及D對應於，例如，存在相當強的發光時朝向積集持續時間結束的溢流風險。圖A及圖C對應於當將閘極G5設定為0電位的時刻，亦即，幾乎所有時間：閘極G5下方的電位屏障係在其最高位準。圖B及圖D對應於短暫反模糊脈衝的時刻：電位屏障短暫地降低。在圖D的情形中，因為先前脈衝在該短暫反模糊脈衝期間已朝向電晶體T5的汲極漂移，可看到任何累積的過剩電荷。

該等脈衝在積集期間的累積持續時間遠少於積集持續時間Ti為佳，例如，至少比積集持續時間Ti短二十倍。

該等脈衝可用列讀出頻率施加，然後該列週期對該等脈衝持續時間的比率係至少二十。若該列週期的持續時間係15微秒，該等脈衝的持續時間可係約0.5微秒或更少。例如，對15微秒的積集持續時間，將有上千個反模糊脈衝，但應用反模糊電壓VR的累積持續時間將維持為比積集持續時間短三十倍，藉由針對給定電壓位準VR的穿隧效應將寄生電子的產生降低30倍。

圖6顯示在積集持續時間Ti等於框週期並對所有列具有相同值，但在時間上逐列移位之情形中的計時圖。此係稱為電子捲動快門或ERS的操作模式。施加至閘極G1的該等轉移脈衝逐列地在時間上移位。積集持續時間在同列上的二連續轉移脈衝之間延伸。除了由用於i級列之時間槽SELi所界定的讀出相位期間外，該儲存節點永久地由閘極G3重設。重設位準(shr)的讀出在轉移脈衝TRA之前發生，且有用位準的讀出恰在此脈衝TRA之後發生。在閘極G5上不再有界定對所有列共用之積集的開始的整體轉移命令GR。此操作模式因為將由於重設位準的讀出優先於電荷轉移及有用位準的讀出所導致的讀出雜訊降低而使用，其不係圖5中之操作模式的情形。

在圖6的操作模式中，以相同方式將正電壓VR的短暫脈衝施加至閘極G5，並在殘餘時間將閘極G5維持在0伏特或甚至在負電壓。因此電位圖A、B、C、D與圖5相同。

在圖6的情形中，當積集無時無刻地發生時，該等脈衝無時無刻地施加，然而在圖5的情形中，可能預測該等脈衝僅在時間週期Ti期間但不在該框的其餘期間發生。

若使該光二極體冒著變為順向偏壓之風險的電荷量係Qsat，且若希望使用餘量Qmargin以將在Qsat-Qmargin上方的過剩電荷排空，可能將反模糊系統的有效性計算為分離二連續脈衝之間距的持續時間的函數。事實上，當該發光使得在二連續脈衝之間產生的電荷量等於該差Qmargin時，達到效率限制。

例如，可將其視為：脈衝的持續時間係0.5微秒(但可更短)，週期係15微秒，該飽和度Qsat以該光二極體中的20000個電子發生，期望餘量Qmargin係3000個電子。然後該系統對發光的效率上昇至每微秒產生200個電子。例如，若將積集時間選擇成等於百分之一秒，且針對受強發光但在此時間週期受飽和度限制的像素，若觀察到電位井在百分之一秒中為20000個電子所填滿(每微秒2個電子)，則即使像素接收到100倍大的發光，該反模糊系統仍操作。若該列脈衝的週期係30微秒，該限制對產生飽和度之發光大50倍的發光到達(但在降低由閘極及光二極體之間的電場產生的雜訊上有增益)。