專(zhuān)利名稱：電子倍增圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，并且更具體地，涉及意在在低亮度水平并且可選地也在高亮度水平采集圖像的那些傳感器。
背景技術(shù)：
當(dāng)光水平低吋，矩陣圖像傳感器的像素采集較少電子。必須大大提高累積時(shí)間來(lái)獲得圖像，但是這會(huì)損害信噪比。在CXD(電荷耦合器件)技術(shù)中，已經(jīng)提出了在傳感器中并入電子倍增系統(tǒng)， 該電子倍増系統(tǒng)從由光自然生成的電子產(chǎn)生附加電子。這樣接收的電信號(hào)因此被以一因子倍増。噪聲也増大，但是以比信號(hào)低的比率。CCD技術(shù)中的這些電子倍増?jiān)碓谟谠龃蟠嬖谟陔姾赊D(zhuǎn)移柵極之間的電位差，由此在轉(zhuǎn)移期間使電子加速。給予其的能量足夠用于與半導(dǎo)體材料的原子的碰撞，以使得這些原子中的電子從價(jià)帶經(jīng)過(guò)到達(dá)導(dǎo)帶。這些電子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電荷載流子本身被加速并且可以弓I起進(jìn)ー步的碰撞。結(jié)果是電子倍增現(xiàn)象。此現(xiàn)象能夠發(fā)生于CXD傳感器中，因?yàn)殡娮訌臇艠O轉(zhuǎn)移至柵極并且是某些柵極上的電壓的增大使得電子能夠被大大加速，以引起此倍増。然而，在有源像素傳感器中，該有源像素傳感器在每個(gè)像素內(nèi)包括電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路(數(shù)個(gè)晶體管)，因?yàn)樵诿總€(gè)累積時(shí)段之后立刻對(duì)電子群(electron packet)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，所以倍増不可能。電子未從柵極轉(zhuǎn)移至柵極。然而，已經(jīng)提出了在像素內(nèi)的光電ニ極管和電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間使用多個(gè)柵極倍增級(jí)的有源像素傳感器。然而，特別是由于倍増柵極中的電荷轉(zhuǎn)移的差的質(zhì)量，此級(jí)生成損耗，這些柵極相互覆蓋的情況除外，但是這需要使用具有至少兩個(gè)柵極電平的成本更高的技木。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了ー種圖像傳感器，該圖像傳感器使用有源像素并且仍然容許電子倍增，用于甚至在非常低的光水平提供滿意的圖像的目的。此傳感器不使用兩個(gè)柵極電平。傳感器形成于半導(dǎo)體基底中，每個(gè)像素在半導(dǎo)體有源層的表面處包括光電ニ極管區(qū)域；電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；用于讀取存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的電荷的讀取晶體管；用于重置所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的重置晶體管；以及用于對(duì)于光在所述光電ニ極管中生成的電荷，在電荷累積時(shí)間之后將電荷從所述光電ニ極管轉(zhuǎn)移至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括與所述光電ニ極管相鄰的第一轉(zhuǎn)移柵極；與所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰的第二轉(zhuǎn)移柵扱；以及位于所述第一轉(zhuǎn)移柵極和所述第二轉(zhuǎn)移柵極之間的放大結(jié)構(gòu)，并且放大結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分開(kāi)的加速柵極；位于所述兩個(gè)加速柵極之間且處于固定表面電位的中間ニ極管區(qū)域；用于首先向所述第一轉(zhuǎn)移柵極施加第一轉(zhuǎn)移脈沖，以將電荷從所述轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移至至少ー個(gè)第一加速柵極的構(gòu)件；用于然后給所述加速柵極施加一連串的交替的高和低電位，以連續(xù)地將電荷通過(guò)所述中間ニ極管區(qū)域從ー個(gè)加速柵極轉(zhuǎn)移至另ー加速柵極的構(gòu)件；以及用于然后給所述第二轉(zhuǎn)移柵極(TR2)施加第二轉(zhuǎn)移脈沖，以將電荷從所述加速柵極轉(zhuǎn)移至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第二轉(zhuǎn)移脈沖的構(gòu)件。中間ニ極管區(qū)域優(yōu)選地是所謂的“釘扎”ニ極管，即相對(duì)于參考電位具有固定表面電位的ニ極管。通過(guò)將ニ極管的上部放置為與處于基底的電位的半導(dǎo)體區(qū)域直接接觸來(lái)獲得固定表面電位。交替的相反電位于是柵極電位(高電位和低電位)，使得柵極以下的電位在在比所述固定表面電位低的電平與高的電平之間交替。遍及以下，將考慮光生成的并存儲(chǔ)的待由像素測(cè)量的電荷是電子，并且因此較高電位產(chǎn)生能夠采集電荷的勢(shì)阱，而較低電位產(chǎn)生防止電荷轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘。將可以設(shè)想存儲(chǔ)的電荷是空穴而不是電子。原理將相同，但是必須反轉(zhuǎn)電位和半導(dǎo)體區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)型。將僅在電子存儲(chǔ)的背景中描述本發(fā)明。半導(dǎo)體基底包括保持在所述參考電位的P—型半導(dǎo)體有源層。中間ニ極管包括在所述層中的N型擴(kuò)散區(qū)域，并且此區(qū)域由連接至所述有源層的電位的P型表面區(qū)域覆蓋。優(yōu)選地，光電ニ極管也是由N型擴(kuò)散部形成的釘扎光電ニ極管，該N型擴(kuò)散部被抬高至有源層 的電位的P型區(qū)域(摻雜水平不必與中間ニ極管和光電ニ極管的相同)覆蓋。轉(zhuǎn)移柵極和加速柵極是通過(guò)薄絕緣層與P型有源層絕緣的柵極。中間ニ極管區(qū)域可以由絕緣層覆蓋。優(yōu)選地，第一轉(zhuǎn)移柵極由盡可能短的距離與第一加速柵極分開(kāi)，在任何情況下，t匕兩個(gè)加速柵極之間的距離短。同樣，第二轉(zhuǎn)移柵極由盡可能短的距離與第二加速柵極分開(kāi)，該距離比兩個(gè)加速柵極之間的距離短。傳感器可以操作在非放大模式中，或放大模式中，或者在混合模式中，混合模式容許關(guān)于非常低的照明水平和非常高的照明水平實(shí)現(xiàn)非常大的動(dòng)態(tài)范圍。在非放大模式中，沒(méi)有ー連串多個(gè)交替的高和低電位施加至加速柵極。第一轉(zhuǎn)移脈沖將電荷從光電ニ極管轉(zhuǎn)移至加速柵極，并且第二轉(zhuǎn)移脈沖將電荷從加速柵極轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。在放大模式中，ー連串交替的相反電位在第一和第二轉(zhuǎn)移脈沖之間施加至柵極。在混合模式中，對(duì)于要通過(guò)加速柵極上的ー連串交替的電位經(jīng)歷放大的每隔ー個(gè)圖像幀提供第一放大因子，并對(duì)經(jīng)歷放大的其余幀提供第二放大因子(或不經(jīng)歷任何放大因子等于I)是可能的。用于每個(gè)像素的隨后的圖像處理將根據(jù)圖像或像素照明標(biāo)準(zhǔn)使用來(lái)自ー個(gè)或其它幀的測(cè)量。替代地，也可以提供用于在混合模式中操作的另一方案通過(guò)在同一幀的過(guò)程中將累積時(shí)間分成兩部分，在同一幀的過(guò)程中執(zhí)行具有兩個(gè)倍増因子的測(cè)量，第一測(cè)量從第ー累積時(shí)間得到，且第二測(cè)量從第二累積時(shí)間得到。傳感器于是包括用于執(zhí)行以下操作組的構(gòu)件-在第一累積時(shí)間結(jié)束時(shí)從光電ニ極管至放大結(jié)構(gòu)的第一電子轉(zhuǎn)移；放大結(jié)構(gòu)中以第一倍増因子的倍増；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的重置以及在讀取電路中此電位的隨后的采樣；在以第一倍増因子倍増之后，從放大結(jié)構(gòu)至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一電子轉(zhuǎn)移；以及在此轉(zhuǎn)移之后，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的采樣；-在從放大結(jié)構(gòu)至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一轉(zhuǎn)移之后，在第二累積時(shí)間結(jié)束時(shí)從光電ニ極管至放大結(jié)構(gòu)的第二電子轉(zhuǎn)移；以第二因子的倍増；從放大結(jié)構(gòu)至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第二電荷轉(zhuǎn)移；以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的采樣；以及
-在至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電子轉(zhuǎn)移之后取得的樣本與在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的重置與此轉(zhuǎn)移之間取得的樣本之間的至少ー個(gè)差的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。兩個(gè)累積時(shí)間優(yōu)選地不同，較短的時(shí)間優(yōu)選地對(duì)應(yīng)于較小的倍増因子。在一個(gè)實(shí)施例中，規(guī)定給定像素行(或替代地給定列)的第一加速柵極均連接到一起，并且給定列(或替代地給定行)的第二加速柵極均連接到一起。柵極的行和列是可尋址的，使得通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)于傳感器的感興趣的區(qū)域的行和列，在此感興趣的區(qū)域中交替柵極電位來(lái)執(zhí)行放大是可能的。不屬于該行和該列的像素不經(jīng)歷電子放大，因?yàn)樗鼈儾辉谒鼈兊膬蓚€(gè)加速柵極上經(jīng)歷交替的相反電位，然而柵極之ー確實(shí)經(jīng)歷交替電位。


在閱讀參照附圖給出的以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中圖I以豎直橫截面示出了有源像素圖像傳感器的像素的總體結(jié)構(gòu)；圖2以豎直橫截面示出了根據(jù)本發(fā)明的更改的像素的結(jié)構(gòu)；圖3示出了像素的頂視圖；圖4示出了在各種操作步驟期間半導(dǎo)體中的電位的圖示；圖5示出了用于傳感器以低亮度水平操作的時(shí)序圖；以及圖6示出了用于傳感器以低亮度水平和高亮度水平操作的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式圖I示出了 CMOS技術(shù)中的常規(guī)有源像素的主元件。像素形成在基底10中，基底10優(yōu)選地包括P—型輕摻雜半導(dǎo)體有源層12 (符號(hào)P—用于指示此輕摻雜)，該P(yáng)—型輕摻雜半導(dǎo)體有源層12形成在更重?fù)诫s層(P+)的表面上。通過(guò)_離阻擋層(insolating barrier) 13使像素與相鄰像素隔離，隔離阻擋層完全圍繞像素。此阻擋層可以是P型井以上的表面隔離溝槽。像素包括光電ニ極管區(qū)域PHD，光電ニ極管區(qū)域PHD的周界遵循植入有源層12的深度的部分中的N型半導(dǎo)體區(qū)域的輪廓。此植入?yún)^(qū)域頂上有P+型表面區(qū)域16，P+型表面區(qū)域16保持在零參考電位。光電ニ極管被稱為“釘扎的” (P+表面區(qū)域的表面電位固定)。零參考電位是施加至P—有源層的電位。在最簡(jiǎn)單的情況下，這是位于有源層以下的P+型基底的電位，并且該P(yáng)+型基底將其自己的電位施加至有源層。例如通過(guò)區(qū)域16接觸再結(jié)合基底10的P+型深擴(kuò)散區(qū)15的事實(shí)，將表面區(qū)域16保持在此零電位。也能夠在此擴(kuò)散區(qū)15上設(shè)置電接觸部，以通過(guò)此接觸部施加零電位至區(qū)域16。電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)或電荷存儲(chǔ)區(qū)域18遠(yuǎn)離光電ニ極管區(qū)域PHD設(shè)置，并且電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)18通過(guò)用于容許或防止存儲(chǔ)在光電ニ極管中的電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的絕緣柵極TR與光電ニ極管區(qū)域PHD分開(kāi)。電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)18是有源層12中的N型擴(kuò)散區(qū)。接觸部形成在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，使得將此區(qū)域的電位施加給跟隨器晶體管(未描繪)的柵極上，以便將包含在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的電荷量轉(zhuǎn)換為電壓電平。稱作重置柵極的另ー柵極RS用于將電荷從存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)倒空到排放漏極20中，排放漏極20是連接至正重置(reset)電位Vref的N+型區(qū)域。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，附圖未示出常規(guī)地可以存在于像素中的元件，特別是用于復(fù)制存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)18的電位的跟隨器晶體管以及在數(shù)個(gè)像素行的矩陣的情況下，使得跟隨器晶體管的源極連接至矩陣的列導(dǎo)體的行選擇晶體管。這些元件在任何情況下位于圍繞光電ニ極管的隔離區(qū)域13外部。圖I中的橫截面中也未示出用于重置光電ニ極管PHD的電位的柵極。此柵極用于在累積持續(xù)時(shí)段開(kāi)始時(shí)將光電ニ極管的電荷排放到漏極(未描繪)中。像素通常如下操作在累積時(shí)間T上對(duì)光電ニ極管區(qū)域PHD的照明生成電荷(在當(dāng)前情況下為電子，但是如果反轉(zhuǎn)所有的導(dǎo)電類(lèi)型和施加的電位差的符號(hào)，則這些電荷能夠是空穴)。這些電荷存儲(chǔ)在光電ニ極管的N區(qū)域中。在時(shí)間T結(jié)束前，通過(guò)重置柵極RS將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位重置為Vref。在時(shí)間T結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移脈沖施加至柵極TR且存儲(chǔ)在光電ニ極管中的電荷排放到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位傳輸至跟隨器晶體管(未示出)，同時(shí)開(kāi)始新的累積時(shí)段。根據(jù)本發(fā)明，具有兩個(gè)加速柵極的電子倍增結(jié)構(gòu)可以并入到轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)中，使得電荷能夠從光電ニ極管轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)18。在圖2的橫截面中和在圖3中從上方示出了得到的像素結(jié)構(gòu)。首先，轉(zhuǎn)移柵極現(xiàn)在分裂為兩個(gè)轉(zhuǎn)移柵扱，即上游轉(zhuǎn)移柵極TRl和下游轉(zhuǎn)移柵極TR2。其次，放置在轉(zhuǎn)移柵極TRl和TR2之間的是放大結(jié)構(gòu)AMP，該放大結(jié)構(gòu)包括由間隙分開(kāi)的兩個(gè)加速柵極GA和GB。此間隙被中間ニ極管區(qū)域DI占據(jù)，此區(qū)域構(gòu)成釘扎ニ極管，如光電ニ極管。如光電ニ極管，其因此包括有源層12中的N型擴(kuò)散區(qū)域34，此區(qū)域由P+型表面區(qū)域36覆蓋。通過(guò)例如此區(qū)域36接觸與基底再結(jié)合的P+型深區(qū)域38的事實(shí)，此區(qū)域36保持在零參考電位，此接觸在圖2中不可見(jiàn)，深區(qū)域38類(lèi)似于接觸光電ニ極管的區(qū)域16的區(qū)域15。加速柵極GA是絕緣柵極，如轉(zhuǎn)移柵扱。其通過(guò)不必?fù)诫s的窄間隙(取決于使用的技術(shù)，盡可能窄)與第一上游第一轉(zhuǎn)移柵極TRl分開(kāi)，即其可以由層12直接形成。同樣，カロ速柵極GB通過(guò)盡可能窄的間隙與第二轉(zhuǎn)移柵極TR2分開(kāi)。優(yōu)選地通過(guò)圖中未示出的吸收或反射不透明層將轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)(柵極TRl和TR2，柵極GA和GB以及中間ニ極管區(qū)域)從光遮蔽。設(shè)置電位切換構(gòu)件，用于根據(jù)討論的轉(zhuǎn)移或放大階段，直接向加速柵極GA和GB施加高或低電位。未示出這些切換構(gòu)件，因?yàn)樗鼈兾次挥谙袼刂?。圖4示出了有源層12中的電位的圖示，這些解釋傳感器的操作原理。穿過(guò)傳感器的橫截面已轉(zhuǎn)移到了圖的頂部，以示出通過(guò)線4A至4F示意性地示出的各步驟期間阱和勢(shì)壘所處的地方。電位常規(guī)地描繪為向下増大。線4A示出了在電荷從光電ニ極管PHD轉(zhuǎn)移至放大結(jié)構(gòu)的時(shí)候，電荷累積步驟結(jié)束時(shí)的電位。通過(guò)降低此柵極以下的勢(shì)壘，由柵極TRl控制此轉(zhuǎn)移。電荷排放到柵極GA以下，柵極GA在此時(shí)候抬高到高電位。柵極GB處于低電位，但是也能夠處于高電位。中間ニ極管Dl處于通過(guò)將區(qū)域36保持在有源層12的參考電位而設(shè)定的內(nèi)建電位，參考電位于此為基底10的電位。中間ニ極管的內(nèi)建電位可以與光電ニ極管的內(nèi)建電位稍微不同。在此第一轉(zhuǎn)移之后，發(fā)生電荷放大階段。此階段包括由線4B至4F指示的多個(gè)(數(shù)十、百或甚至千)交替的電位。限定于柵極GA以下的電荷首先朝向柵極GB切換(步驟4B和4C)，然后再次朝向柵極GA (步驟4D和4E)。切換隨建立高電場(chǎng)的電位發(fā)生。在電荷載流子加速影響下，在毎次切換生成電子-空穴對(duì)，并且因此附加電子。切換期間的增益非常低，但是被乘以切換的數(shù)量。一系列步驟4B至4E重復(fù)N次，以獲得期望的最終放大因子。當(dāng)然，數(shù)量N取決于施加至柵極GA和GB的電位，因?yàn)殡妶?chǎng)取決于這些電位，并且在電場(chǎng)施加步驟期間每個(gè)碰撞產(chǎn)生的電子的數(shù)量取決于作用于渡越電子上的電場(chǎng)。更精確地，-在步驟4B中，柵極GB以下的勢(shì)壘降低，并且在此柵極以下產(chǎn)生勢(shì)阱，GA保持在高電位；-在步驟4C中，柵極GA的電位降低，由此將電荷從柵極GA切換至柵極GB；
-在步驟4D中，在柵極GA以下產(chǎn)生勢(shì)阱；以及-在步驟4E中，柵極GB的電位降低，電荷從柵極GB排放至柵極GA。柵極GA和GB因此經(jīng)歷交替的相反電場(chǎng)，一個(gè)柵極的電位在此柵極以下產(chǎn)生比中間ニ極管DI的內(nèi)建電位高的勢(shì)壘，而另ー柵極以下的電位在此柵極以下產(chǎn)生比中間ニ極管的內(nèi)建電位深的勢(shì)阱。在N系列交替之后，處理在步驟4C停止，并且電荷從轉(zhuǎn)移柵極以下轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)18。步驟4F描繪此最后轉(zhuǎn)移柵極GA的電位降低(而柵極GB的電位保持高)，并且轉(zhuǎn)移柵極TR2的電位增高(而柵極TRl的電位低并且保持為低)。當(dāng)通過(guò)降低轉(zhuǎn)移柵極TR2的電位而關(guān)斷轉(zhuǎn)移柵極TR2時(shí)，存在于柵極GB以下的電荷排放到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中并且在此節(jié)點(diǎn)
中聚集。中間ニ極管DI的寬度，即加速柵極之間的距離，足夠大以使半導(dǎo)體中的電位至少在ニ極管的中心保持固定。如果間隙太窄，則電位將經(jīng)歷相鄰柵極的影響。中間ニ極管區(qū)域決不用于存儲(chǔ)電荷，與位于加速柵極以下的區(qū)域不同。中間ニ極管區(qū)域?yàn)橛糜趶臇艠OGA以下的區(qū)域移動(dòng)至柵極GB以下的區(qū)域的電荷的渡越區(qū)域。P+區(qū)域36可以由薄的絕緣層覆蓋。從ー個(gè)柵極加速到另ー個(gè)柵極的電子不會(huì)使此絕緣層退化，因?yàn)槎稍桨l(fā)生在區(qū)域36以下的體積內(nèi)，而不是在表面上?，F(xiàn)在將描述此圖像傳感器結(jié)構(gòu)的各種可能的操作模式。通常，像素形成行和列形式的像素矩陣的部分，任一行的像素由行導(dǎo)體尋址并且任一列的像素的輸出連接至列導(dǎo)體。雙采樣讀取電路放置在列的底部，并且用于對(duì)在選擇像素行時(shí)出現(xiàn)在列導(dǎo)體上的電位進(jìn)行采樣。出現(xiàn)在列導(dǎo)體上的電位對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位，其可以是重置電位或?qū)?yīng)于所選像素的照明的有用信號(hào)電位。讀取電路對(duì)重置電位和有用電位進(jìn)行采樣并將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。確定它們之間的差并且將差轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。圖5中的時(shí)序圖示出了傳感器以低光水平操作的ー個(gè)操作模式，該低光水平例如用于晚上時(shí)間觀看。圖5中示出了兩個(gè)連續(xù)的幀F(xiàn)Rl和FR2。信號(hào)GR描繪幀開(kāi)始時(shí)光電ニ極管的電位的重置，其通常用于所有像素，通過(guò)例如打開(kāi)上述光電ニ極管的重置柵極來(lái)執(zhí)行該重置。
信號(hào)RS描繪用于重置存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的脈沖。在讀取的時(shí)候，對(duì)每一行連續(xù)地傳輸此信號(hào)。在列的底部的采樣信號(hào)由SHR (采樣存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)重置電平)和SHS (由放大結(jié)構(gòu)放大的電荷已經(jīng)排放到此節(jié)點(diǎn)中之后，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)有用電平的采樣)指明。在讀取操作期間，逐行連續(xù)地傳輸這些信號(hào)。線TRl和TR2描繪分別施加至柵極TRl和TR2的脈沖。信號(hào)TRl通常應(yīng)用于所有像素，而信號(hào)TR2逐行傳輸。線GA和GB示出了多個(gè)交替的高和低電位施加至放大結(jié)構(gòu)的柵極GA和GB期間的時(shí)段。這些電位施加至矩陣的期望放大的所有那些像素(例如，矩陣的所有像素或感興趣的區(qū)域的所有像素)。用于幀F(xiàn)Rl的步驟的序列如下-通過(guò)信號(hào)GR重置光電ニ極管，此重置步驟的結(jié)束構(gòu)成用于所有像素的累積時(shí)段的開(kāi)始；信號(hào)GR的結(jié)束確定電荷累積時(shí)間Til的開(kāi)始；在考慮周期性幀的總(恒定)時(shí)段首先包括由累積時(shí)間Til跟隨的一般重置時(shí)間時(shí)，信號(hào)GR越長(zhǎng)，則累積時(shí)間越短；-光電ニ極管中的電荷累積；以及-對(duì)所有像素打開(kāi)第一轉(zhuǎn)移柵極TR1，在累積時(shí)間Til結(jié)束時(shí)，倒空來(lái)自光電ニ極管的在放大結(jié)構(gòu)的柵極GA以下的電荷，打開(kāi)柵極TRl的結(jié)束確定時(shí)間Til的結(jié)束。這之后，下ー幀F(xiàn)R2的電荷累積開(kāi)始，但是通過(guò)在柵極GA和GB上施加交替的電位來(lái)在放大結(jié)構(gòu)中進(jìn)行放大，源自第一幀的信號(hào)的處理繼續(xù)；交替的數(shù)量選擇為使得使電子的數(shù)量被以第一倍増因子kl倍増。接下來(lái)，逐行連續(xù)地執(zhí)行以下操作(描繪了行Ln，同時(shí)提到了接下來(lái)的行Ln+1)-重置存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)18的電位(信號(hào)RS)；-通過(guò)放置在列底部的采樣電路來(lái)對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的重置電位電平進(jìn)行采樣(討論中的行的信號(hào)SHR)；-對(duì)于討論中的行，電荷經(jīng)由第二轉(zhuǎn)移柵極TR2從柵極GB轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；-通過(guò)列的底部的采樣電路對(duì)討論中的行的像素的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位進(jìn)行采樣(討論中的行的信號(hào)SHS);以及-兩個(gè)樣本之間的差的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。在第二幀F(xiàn)R2的電荷累積發(fā)生時(shí)，對(duì)每一行重復(fù)四個(gè)連續(xù)信號(hào)RS、SHR、TR2和SHS以及摸-數(shù)轉(zhuǎn)換。執(zhí)行的測(cè)量是借助于真實(shí)相關(guān)雙采樣的測(cè)量，真實(shí)相關(guān)雙采樣是如下意義上的轉(zhuǎn)換的值是在正好在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)重置之后取得的電位樣本與在電荷已經(jīng)從放大結(jié)構(gòu)排放到 存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中之后取得的隨后電位樣本之間的差。當(dāng)以低照明水平觀看時(shí)，將施加大數(shù)量N的交替電位。當(dāng)以適度的亮度水平觀看時(shí)，將施加較低數(shù)量。當(dāng)以高亮度水平觀看時(shí)，將不向柵極GA和GB施加交替的相反電位。對(duì)于高度對(duì)比的圖像(相同圖像中非常輕微照明的像素和高度照明的像素)，兩個(gè)不同的倍増因子kl和k2可以用于兩個(gè)不同的連續(xù)幀F(xiàn)Rl和FR2中，并且給每個(gè)像素選擇給予最合適測(cè)量的幀。因此，為獲得完整的圖像，必須存在兩幀。兩幀中的累積時(shí)間也可以不同奇數(shù)幀中的時(shí)間Til和偶數(shù)幀中的時(shí)間Ti2。優(yōu)選地，較短的時(shí)間，例如Til，對(duì)應(yīng)于具有較低放大因子的幀，較低放大因子例如為kl。用于以較低因子測(cè)量的像素的由摸-數(shù)轉(zhuǎn)換器建立的數(shù)值必須被乘以比率k2/kl，以便以相同比例引用在不同條件下進(jìn)行的測(cè)量，k2/kl即較高因子與較低因子的比率。以較短累積時(shí)間(例如Til)測(cè)量的值也必須被乘以比率Ti2/Til。使用具有兩個(gè)不同放大因子的兩幀的ー個(gè)缺點(diǎn)是,無(wú)論使用相同累積時(shí)間還是不同累積時(shí)間，需要兩幀來(lái)形成單個(gè)圖像，由此降低了圖像傳送速率的事實(shí)。在用于快速動(dòng)態(tài)的另ー操作模式中，僅使用一幀，利用分成兩個(gè)部分的累積時(shí)間 每個(gè)部分涉及多個(gè)電子的電子累積和放大，放大因子在兩個(gè)部分中不同。兩個(gè)部分的累積時(shí)間可以相同或不同。優(yōu)選地對(duì)第一累積時(shí)間使用較低的放大因子和較短的時(shí)間。如由圖6示例的(指示了單個(gè)幀F(xiàn)R，因?yàn)閮Hー幀用于采集完整的圖像，僅示出對(duì)應(yīng)于像素行的信號(hào)以不使圖混亂)，用于每一行的利用兩個(gè)累積時(shí)間的操作如下-對(duì)于討論中的行，由信號(hào)GR重置光電ニ極管，以對(duì)此行開(kāi)始累積時(shí)段；-光電ニ極管中的電荷累積；-打開(kāi)第一轉(zhuǎn)移柵極TRl,在第一累積時(shí)間Til結(jié)束時(shí),將電荷從光電ニ極管倒空到放大結(jié)構(gòu)中，第一累積時(shí)間Til優(yōu)選地為短的時(shí)間，即比幀的總累積時(shí)間的一半短或短得多的時(shí)間，一旦柵極關(guān)閉，光電ニ極管重新開(kāi)始電荷累積；-利用第一低的放大因子kl或?yàn)镮的因子(無(wú)放大)進(jìn)行第一放大；-通過(guò)信號(hào)RS進(jìn)行存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電位的重置；-短暫打開(kāi)第二轉(zhuǎn)移柵極TR2，以將以因子kl放大的電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)并重新關(guān)閉此柵極；-打開(kāi)第一轉(zhuǎn)移柵極TR1，定義第二累積時(shí)間Ti2的結(jié)束，時(shí)間Til和Ti2的和構(gòu)成幀的總累積時(shí)間，對(duì)應(yīng)于第二時(shí)間的電荷進(jìn)入放大結(jié)構(gòu)并且被以第二放大因子k2放大；-在第二放大結(jié)束時(shí)，且在放大的電荷經(jīng)由柵極TR2轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之前，按以下順序執(zhí)行以下步驟通過(guò)信號(hào)shsl在讀取電路中對(duì)以因子kl放大的在此時(shí)候?qū)?yīng)于第一累積的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電平進(jìn)行第一采樣；然后重置存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(RS);以及然后，在讀取電路中對(duì)重置電平(shr)進(jìn)行第二采樣；以及-最后，打開(kāi)第二轉(zhuǎn)移柵極TR2，并且因此在第二累積時(shí)間期間，將電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，該電荷被按第二放大因子放大；最后，對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電平進(jìn)行第三采樣shs2，但是此采樣是條件的而非系統(tǒng)的，如果第三采樣發(fā)生，則其替換第一采樣。如果在第一累積時(shí)間之后或第二累積時(shí)間之后像素測(cè)量的照明超過(guò)閾值，該域值示出存在使測(cè)量鏈飽和的風(fēng)險(xiǎn)，則不執(zhí)行第三采樣。如果不執(zhí)行第三采樣，則數(shù)字化第一樣本和第二樣本之間的差。這等于保留僅第
一累積的結(jié)果。否則，如果執(zhí)行第三采樣(無(wú)飽和風(fēng)險(xiǎn))，則第三樣本替代第一樣本。然后數(shù)字化第三和第二樣本之間的差，這等于僅測(cè)量第二時(shí)段期間累積的結(jié)果。此差是真實(shí)相關(guān)雙采樣測(cè)量，與首先兩個(gè)樣本之間的差的數(shù)字化不同。在第一情況下獲得的數(shù)值(無(wú)第三采樣)被乘以一因子，即比率(k2XTi2)/(klXTil)，以便能夠以與第二情況(第三采樣)中相同的比例對(duì)其進(jìn)行引用。為執(zhí)行條件第三采樣，可以在第二測(cè)量結(jié)束時(shí)，在正好在進(jìn)行條件第三采樣的時(shí)候之前的時(shí)間tramp，測(cè)試存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電位電平，或者可以在第一測(cè)量結(jié)束時(shí)測(cè)試存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電位電平。讀取電路包括用于此目的的測(cè)試電路，其作用是容許或防止生成信號(hào)shs2。此電路也存儲(chǔ)測(cè)試的結(jié)果，該結(jié)果用于決定差分測(cè)量的結(jié)果是否必須被乘以倍増因子(k2XTi2)/(klXTil)。圖6中示出的用于行的所有信號(hào)必須被以相同方式重復(fù)，但是對(duì)下一行移動(dòng)時(shí)間ΔΤ,等等(所謂的“滾動(dòng)快門(mén)(rolling shutter) ”操作)。時(shí)間Δ T是取得三個(gè)樣本并執(zhí)行樣本差的模-數(shù)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。應(yīng)當(dāng)注意，柵極GA和GB用以進(jìn)行放大的放大時(shí)間必須限制于累積時(shí)段的持續(xù)時(shí)間與讀取所有行所需的時(shí)間之間的差，因?yàn)楹笳呤沁B續(xù)地讀取的。例如，如果累積時(shí)間為15毫秒并且讀取所需的時(shí)間為約5毫秒(例如對(duì)于1024行，每行5微妙)，則放大時(shí)間必須限 制于10毫秒。在讀取電路中執(zhí)行條件采樣測(cè)試。在一個(gè)范例中，閾值比較器將正好在經(jīng)由柵極TR2的第二轉(zhuǎn)移之后的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電位電平(存在于列導(dǎo)體上)進(jìn)行比較，并容許或阻止第三采樣。在另ー范例中，當(dāng)?shù)谝焕鄯e時(shí)間Til為較短時(shí)間時(shí)特別適用的是，摸-數(shù)轉(zhuǎn)換器為斜坡型轉(zhuǎn)換器，其對(duì)第一采樣的結(jié)果實(shí)施迅速的臨時(shí)轉(zhuǎn)換；取決于此迅速臨時(shí)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，容許或不容許條件采樣，并且在所有情況下，轉(zhuǎn)換器重新開(kāi)始決定性(definitive)轉(zhuǎn)換。臨時(shí)轉(zhuǎn)換可以在于觀察轉(zhuǎn)換器的輸入比較器的輸出。比較器在其兩個(gè)輸入端接收有用信號(hào)和重置電平樣本。預(yù)定義持續(xù)時(shí)間的短線性電壓斜坡施加于有用信號(hào)輸入端并增加至有用信號(hào)。無(wú)論何時(shí)比較器的輸入端之間的差分電壓變?yōu)榱?，比較器都切換。如果照明低，則比較器在斜坡結(jié)束之前切換，但是如果照明高，則不切換。如果在讀取電路中使用三個(gè)采樣電容器而不是兩個(gè)，則可以執(zhí)行系統(tǒng)(非條件的)采樣shs2。重置電平、對(duì)應(yīng)于具有第一因子的第一累積時(shí)間的測(cè)量電平、以及對(duì)應(yīng)于第ニ時(shí)間的測(cè)量電平分別存儲(chǔ)在三個(gè)電容器中。于是執(zhí)行第二和第一電容器中的電壓之間的差的摸/數(shù)轉(zhuǎn)換，否則執(zhí)行第三和第二電容器中的電壓之間的差的轉(zhuǎn)換。只要對(duì)于每行執(zhí)行按以下順序的操作，則轉(zhuǎn)換的值于是可以是從真實(shí)相關(guān)雙采樣得到的值-重置存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電平；-在第一電容器中采樣此電平；-將第一累積的結(jié)果(被通過(guò)放大結(jié)構(gòu)放大)轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，并且然后在第二累積時(shí)間Ti2結(jié)束時(shí),從光電ニ極管轉(zhuǎn)移至放大結(jié)構(gòu)；-在第二電容器中采樣存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電平；-將第二放大的累積的結(jié)果轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，而不預(yù)先重置后者；以及-在第三電容器中采樣該電平。在此操作模式中，以與先前相同的方式，存在用于選擇必須執(zhí)行的轉(zhuǎn)換的照明水平條件。條件與先前的相同，其不是對(duì)采樣shs2的授權(quán)起作用，而是對(duì)將用于轉(zhuǎn)換的樣本(第一或第三)的選擇起作用。最后，在一個(gè)實(shí)施例中，規(guī)定給定行的像素的柵極由行導(dǎo)體控制并且給定列的像 素的柵極GB由列導(dǎo)體控制。僅在柵極GA和GB接收周期性交替電位時(shí)，借助于交替電位的放大才發(fā)生?？梢栽O(shè)置用于選擇僅ー些像素行的構(gòu)件來(lái)將交替電位施加至它們的柵極GA，并設(shè)置用于選擇僅ー些像素列的構(gòu)件來(lái)將另外的交替電位施加至它們的柵極GB，兩個(gè)交替組合產(chǎn)生相反符號(hào)的交替電場(chǎng)。在此情況下，僅在這些行和列的交點(diǎn)處的像素將經(jīng)歷借助于這些像素中的電子倍增的放大。因此，選擇圖像中的感興趣的區(qū)域來(lái)給所述區(qū)域施加借助于電子倍増的放大而不將其施加至其它區(qū)域是可能的，該選擇的區(qū)域特別是暗區(qū)域。由感興趣的區(qū)域的此選擇提供的可能性可以與由針對(duì)同一圖像獲取的兩個(gè)不同倍増因子的選擇提供的可能性組合，這兩個(gè)因子能夠施加于相同的 感興趣的區(qū)域中。
權(quán)利要求
1.ー種形成于半導(dǎo)體基底(10)中的有源像素圖像傳感器，每個(gè)像素在半導(dǎo)體有源層(12)的表面處包括光電ニ極管區(qū)域(PHD);電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(18);用于讀取存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的電荷的讀取晶體管；用于重置所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的重置晶體管；以及轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，用于對(duì)于光在所述光電ニ極管中生成的電荷，在電荷累積時(shí)間之后將電荷從所述光電ニ極管轉(zhuǎn)移至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括 與所述光電ニ極管相鄰的第一轉(zhuǎn)移柵極(TRl)； 與所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰的第二轉(zhuǎn)移柵極(TR2);以及 放大結(jié)構(gòu)(AMP)，位于所述第一轉(zhuǎn)移柵極和所述第二轉(zhuǎn)移柵極之間，并包括 兩個(gè)分開(kāi)的加速柵極(GA)和(GB)； 位于所述兩個(gè)加速柵極之間且處于固定表面電位的中間ニ極管區(qū)域(DI)； 用于首先向所述第一轉(zhuǎn)移柵極(TRl)施加第一轉(zhuǎn)移脈沖，以將電荷從所述轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移至至少ー個(gè)第一加速柵極(GA)的構(gòu)件； 用于然后給所述加速柵極施加ー連串交替的高和低電位，以連續(xù)地將電荷通過(guò)所述中間ニ極管區(qū)域從ー個(gè)加速柵極轉(zhuǎn)移至另ー加速柵極的構(gòu)件；以及 用于然后給所述第二轉(zhuǎn)移柵極(TR2)施加第二轉(zhuǎn)移脈沖，以將電荷從所述加速柵極轉(zhuǎn)移至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其特征在于，所述中間ニ極管區(qū)域是相對(duì)于參考電位具有固定表面電位的釘扎ニ極管，并且其特征在于，交替的相反電位是高電位和低電位，使得柵極以下的電位在比所述固定表面電位低的電平與高的電平之間交替。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體基底包括保持在所述參考電位的P型半導(dǎo)體有源層，并且所述中間ニ極管包括在所述層中的N型擴(kuò)散區(qū)域，此區(qū)域由連接至所述有源層的電位的P型表面區(qū)域覆蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，其包括用于在偶數(shù)幀和奇數(shù)幀期間施加不同的放大因子的構(gòu)件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，其包括用于在相同幀的過(guò)程中連續(xù)地在第一累積時(shí)間執(zhí)行測(cè)量和在第二累積時(shí)間執(zhí)行測(cè)量的構(gòu)件；以及用于在所述第一時(shí)間上執(zhí)行的累積放大之后或在所述第二時(shí)間上執(zhí)行的累積放大之后，根據(jù)所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的電位電平來(lái)選擇所述兩個(gè)測(cè)量之ー的構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像傳感器，并且更具體地，涉及意在以低發(fā)光水平采集圖像的那些傳感器。每個(gè)像素在半導(dǎo)體有源層(12)的表面處包括光電二極管區(qū)域(PHD)；電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(18)；以及用于對(duì)于光在所述光電二極管中生成的電荷，在電荷累積時(shí)間之后將電荷從所述光電二極管轉(zhuǎn)移至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。所述轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括與所述光電二極管相鄰的第一轉(zhuǎn)移柵極(TR1)；與所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相鄰的第二轉(zhuǎn)移柵極(TR2)；以及位于所述第一轉(zhuǎn)移柵極和所述第二轉(zhuǎn)移柵極之間的電子倍增放大結(jié)構(gòu)(AMP)。所述放大結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分開(kāi)的加速柵極(GA和GB)和位于兩個(gè)加速柵極之間并處于固定表面電位的中間二極管區(qū)域(DI)。在電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之前，在轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)中的渡越中，一連串交替的高和低電位施加至加速柵極。放大取決于交替的數(shù)量。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102693993SQ20121007932
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者F·邁爾, P·弗雷伊 申請(qǐng)人:E2V半導(dǎo)體公司