本發(fā)明涉及一種圖像傳感器的單位像素及單位像素的受光元件，尤其涉及一種能夠調(diào)整施加到用作受光部的柵極的電壓來(lái)調(diào)整受光部的光檢測(cè)靈敏度的圖像傳感器的單位像素及單位像素的受光元件。

背景技術(shù)：

圖像傳感器為將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子圖像信號(hào)的傳感器。具有如下效果：向存在于圖像傳感器的單位像素內(nèi)的受光部照射光時(shí)，檢測(cè)入射到各單位像素的光及其量而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，向用于形成影像的模擬及數(shù)字電路部傳遞電信號(hào)。

向圖像傳感器的單位像素的受光部入射光時(shí)，在入射的一個(gè)光子中產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)(EHP，electron-hole pair)，所產(chǎn)生的電子及空穴累積在作為受光部的光電二極管中。

光電二極管的最大累積電容與光電二極管的受光面積成比例。尤其，在CMOS圖像傳感器的情況下，配置有附屬的晶體管的區(qū)域與CCD圖像傳感器相比相對(duì)較寬，因此增加受光面積具有物理限制。并且，主要使用于圖像傳感器的受光部的光電二極管其靜電容量相對(duì)較少，在少量的光量中易飽和，因此難以將信號(hào)進(jìn)行模擬性細(xì)分化。

因此，CMOS圖像傳感器的單位像素需要相對(duì)較長(zhǎng)的光電荷累積時(shí)間，以便產(chǎn)生用于通過(guò)有限的受光區(qū)域進(jìn)行信號(hào)處理的最小限的電荷。因此，難以使用具有這種受光部的單位像素來(lái)制作高密度/高速幀的圖像傳感器。

為了克服這種以往的圖像傳感器的限制，在2011年9月2日，通過(guò)本案申請(qǐng)人申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)US 8569806 B2的“UNIT PIXEL OF IMAGE SENSOR AND PHOTO DETECTOR THEREOF”中，公開(kāi)有利用從浮動(dòng)的柵極到源極或漏極電極的電荷的隧穿來(lái)調(diào)整通道的閾值電壓的圖像傳感器的單位像素。本申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)通過(guò)參考上述US 8569806 B2的說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的技術(shù)將其引入。

然而，上述US 8569806 B2的受光元件通過(guò)在初期制作工序中摻雜在浮動(dòng)?xùn)艠O與元件分離用阱的離子的濃度和極性來(lái)確定用于光電轉(zhuǎn)換的閾值電壓，因此圖像傳感器的靈敏度值也通過(guò)制作工序中所摻雜的離子的濃度和極性來(lái)確定。

結(jié)果，上述US 8569806 B2的單位像素的光電流的大小、暗電流的大小及靈敏度值主要通過(guò)在制作工序中預(yù)先規(guī)定的浮動(dòng)?xùn)艠O的摻雜濃度而確定，因此存在要求多次反復(fù)制作過(guò)程直到滿(mǎn)足符合所所需的規(guī)格的最佳閾值電壓條件的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問(wèn)題

本發(fā)明是為了解決上述以往的問(wèn)題而提出的，其目的在于提供一種對(duì)由受光部操作的柵極施加電壓，以通過(guò)調(diào)整通道的閾值電壓來(lái)控制受光元件的光靈敏度特性的圖像傳感器的單位像素。

并且，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠執(zhí)行與自動(dòng)曝光(Auto Exposure)及電子快門(mén)(Electric Shutter)相同的功能的圖像傳感器的單位像素。

解決問(wèn)題的技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，基于本發(fā)明的一個(gè)方面的靈敏度調(diào)整受光元件包括：吸收光的受光部；通過(guò)氧化膜與所述受光部分離的源極和漏極；形成于所述源極與漏極之間并在所述源極與漏極之間產(chǎn)生電流流動(dòng)的通道；及向所述受光部施加電壓的靈敏度調(diào)整終端，

所述受光部被摻雜第1類(lèi)雜質(zhì)，所述源極和漏極被摻雜第2類(lèi)雜質(zhì)，通過(guò)由入射到所述受光部的光激發(fā)的電子隧穿到所述源極或漏極而引起的所述受光部的電荷量變化來(lái)控制所述通道中的電流流動(dòng)，控制通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端所施加的電壓，并調(diào)整所述通道的閾值電壓。

其中，所述受光元件的特征在于，通過(guò)調(diào)整由所述靈敏度調(diào)整終端所施加的電壓，以調(diào)整所述通道的費(fèi)米能級(jí)與本征能級(jí)的間距來(lái)調(diào)整所述閾值電壓。

其中，所述源極和漏極形成于被摻雜有第1類(lèi)雜質(zhì)的阱上，所述阱可以為浮動(dòng)狀態(tài)。

其中，所述靈敏度調(diào)整終端能夠調(diào)整施加到所述受光部的電壓的大小來(lái)調(diào)整所述受光部的靈敏度。

其中，所述隧穿能夠在所述源極和漏極中的任意一個(gè)與所述受光部之間的氧化膜區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。

其中，所述靈敏度調(diào)整終端能夠?qū)⒃O(shè)定電壓以上的電壓施加到所述受光部來(lái)使所述受光部復(fù)位。

并且，基于本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖像傳感器的單位像素包括：利用由入射光而引起的電荷量的變化來(lái)產(chǎn)生電流流動(dòng)的受光元件；及將在所述受光元件中產(chǎn)生的電流輸出到單位像素輸出端的選擇元件，

所述受光元件包括：吸收光的受光部；通過(guò)氧化膜與所述受光部分離的源極和漏極；形成于所述源極及漏極之間并在所述源極與漏極之間產(chǎn)生電流流動(dòng)的通道；及向所述受光部施加電壓的靈敏度調(diào)整終端，所述受光元件根據(jù)由入射到所述受光部的光激發(fā)的電子隧穿到所述源極或漏極而引起的所述受光部的電荷量的變化來(lái)控制所述通道的電流流動(dòng)，并調(diào)整通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端所施加的電壓來(lái)調(diào)整所述通道的閾值電壓。

其中，所述選擇元件包括：分別連接于所述受光元件和單位像素輸出端的漏極和源極；及從外部施加選擇信號(hào)的柵極，根據(jù)所述施加的選擇信號(hào)執(zhí)行切換操作。

其中，所述受光元件調(diào)整通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端所施加的電壓，以通過(guò)調(diào)整所述通道的費(fèi)米能級(jí)與本征能級(jí)的間距來(lái)調(diào)整閾值電壓。

其中，所述受光元件的源極和所述選擇元件的漏極能夠形成于同一有源區(qū)域上。

其中，所述受光元件根據(jù)入射光量調(diào)整施加到所述靈敏度調(diào)整終端的電壓，能夠抑制因光電流量的急劇增加引起的影像飽和。

并且，基于本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖像傳感器的單位像素包括：利用由入射光引起的的電荷量的變化來(lái)產(chǎn)生電流流動(dòng)的受光元件；將在所述受光元件中產(chǎn)生的電流輸出到單位像素輸出端的選擇元件；及去除在所述受光元件中殘留的電荷的復(fù)位元件，

所述受光元件包括：吸收光的受光部；通過(guò)氧化膜與所述受光部分離的源極和漏極；形成于所述源極及漏極之間并在所述源極與漏極之間產(chǎn)生電流流動(dòng)的通道及向所述受光部施加電壓的靈敏度調(diào)整終端，所述受光元件根據(jù)由入射到所述受光部的光激發(fā)的電子隧穿到所述源極或漏極而引起的所述受光部的電荷量的變化來(lái)控制所述通道中的電流流動(dòng)，所述受光元件調(diào)整通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端施加的電壓來(lái)調(diào)整所述通道的閾值電壓。

其中，所述復(fù)位元件能夠去除形成有所述受光元件的擴(kuò)散阱內(nèi)的殘留電荷。

其中，所述擴(kuò)散阱能夠在所述受光元件的操作期間維持浮動(dòng)狀態(tài)。

其中，所述受光元件通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端施加設(shè)定電壓以上的電壓，以通過(guò)提高所述通道的閾值電壓來(lái)使所述單位像素復(fù)位。

其中，所述受光元件調(diào)整通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端所施加的電壓，以通過(guò)調(diào)整所述通道的費(fèi)米能級(jí)與本征能級(jí)的間距來(lái)調(diào)整閾值電壓。

通過(guò)參考結(jié)合附圖而詳細(xì)后述的實(shí)施例，可以更容易地理解用于實(shí)現(xiàn)上述目的的具體細(xì)節(jié)。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)施加外部電場(chǎng)來(lái)調(diào)整圖像傳感器的受光元件的閾值電壓，而不是通過(guò)基于離子注入的摻雜濃度來(lái)調(diào)整圖像傳感器的受光元件的閾值電壓，由此能夠得到最佳光響應(yīng)特性。

并且，調(diào)整施加電壓，以調(diào)整電路中的受光元件的靈敏度特性，并且能夠減少相對(duì)于受光元件的光靈敏度等元件特性值的工序依存性。

并且，能夠?qū)崿F(xiàn)具有與光電二極管相比高得多的相同光量的高靈敏度特性的受光元件，由此能夠制造在低照度環(huán)境中也可進(jìn)行高速動(dòng)畫(huà)拍攝的圖像傳感器。

并且，可以調(diào)整施加電壓以根據(jù)入射光量調(diào)整光電流的大小，由此能夠?qū)Ω鲉挝幌袼剡M(jìn)行在現(xiàn)有的模擬電路上分別執(zhí)行的自動(dòng)曝光調(diào)整功能。

并且，能夠通過(guò)將復(fù)位電壓施加到用于調(diào)整靈敏度值的柵極來(lái)使各像素復(fù)位，即使不使用單獨(dú)的晶體管，也能夠?qū)崿F(xiàn)電子快門(mén)功能。

附圖說(shuō)明

圖1是基于本發(fā)明的一實(shí)施例的受光元件的斜視圖。

圖2是用于說(shuō)明圖1的受光元件的工作原理的剖視圖。

圖3是用于說(shuō)明基于本發(fā)明的一實(shí)施例的靈敏度調(diào)整受光元件的結(jié)構(gòu)的圖。

圖4是用于說(shuō)明圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的靈敏度調(diào)整原理的圖。

圖5是用于說(shuō)明圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的動(dòng)作過(guò)程的圖。

圖6是使用圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的單位像素的電路圖的一例。

圖7是使用圖6的靈敏度調(diào)整受光元件的單位像素的剖視圖。

圖8是使用圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的單位像素的電路圖的另一例。

圖9是使用圖8的靈敏度調(diào)整受光元件的單位像素的剖視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明能夠施以各種變更，也可以具有各種實(shí)施例，并將特定的實(shí)施例例示于附圖，通過(guò)詳細(xì)的說(shuō)明對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。但是，這并不是將本發(fā)明限定于特定的實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)理解為包括本發(fā)明的思想及技術(shù)范圍中所包含的所有變更、均等物以及代替物。

在本發(fā)明的說(shuō)明中，若判斷為對(duì)相關(guān)的公知技術(shù)的具體說(shuō)明不必要地模糊本發(fā)明的宗旨的情況下，省略其詳細(xì)的說(shuō)明。并且，在本說(shuō)明書(shū)的說(shuō)明過(guò)程中使用的數(shù)字(例如，第1、第2等)僅僅是用于將一個(gè)構(gòu)成要件與另一個(gè)構(gòu)成要件區(qū)分開(kāi)的識(shí)別記號(hào)。

另外，本說(shuō)明書(shū)中，記載為一個(gè)構(gòu)成要件與另一個(gè)構(gòu)成要件“連結(jié)”或者“連接”等時(shí)，有可能是上述一個(gè)構(gòu)成要件與上述另一個(gè)構(gòu)成要件直接連結(jié)或者直接連接，但是不存在特別相反的記載時(shí)，應(yīng)理解為在中間通過(guò)另一個(gè)構(gòu)成要件來(lái)連結(jié)或者連接。

對(duì)以下的說(shuō)明中使用的構(gòu)成要件的后綴“模塊”及“部”僅僅考慮到說(shuō)明書(shū)作成的容易性而添加或混用的，因此不具有以其本身相互區(qū)別的含義或效果。

以下，參考附圖對(duì)本發(fā)明的可具有靈敏度調(diào)整、自動(dòng)曝光及電子快門(mén)功能的圖像傳感器的單位像素及所述單位像素的受光元件進(jìn)行說(shuō)明。

圖1-受光元件的結(jié)構(gòu)

圖1表示構(gòu)成基于本發(fā)明的一實(shí)施例的圖像傳感器的單位像素的受光元件。

參考圖1，所述單位像素的受光元件使用隧道結(jié)(tunnel junction)元件而不是使用以往的光電二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述隧道結(jié)元件作為在兩個(gè)導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間接合有較薄的絕緣層的結(jié)構(gòu)，并且是指利用從所述絕緣層產(chǎn)生的隧穿效果來(lái)進(jìn)行工作的元件。

所述受光元件100能夠以例如n-MOSFET結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，所述受光元件100形成于P型基板110上，并包括通常的NMOS電子元件中的相當(dāng)于源極的N+擴(kuò)散層120和相當(dāng)于漏極的N+擴(kuò)散層130。以下，將N+擴(kuò)散層120、130分別稱(chēng)為所述受光元件上的“源極”和“漏極”。

在所述源極120和漏極130的上部形成有與外部節(jié)點(diǎn)連接的金屬觸點(diǎn)121、131。所述金屬觸點(diǎn)121、131分別通過(guò)金屬線(xiàn)122、132與外部連結(jié)。

源極120與漏極130之間形成較薄的氧化膜140，氧化膜140的上部形成有被摻雜相當(dāng)于通常的NMOS結(jié)構(gòu)中的柵極的P型雜質(zhì)的多晶硅150。所述多晶硅150作為吸收來(lái)自所述受光元件100的光的受光部而發(fā)揮作用。以下，將所述多晶硅150稱(chēng)為“受光部”。

所述受光部150通過(guò)氧化膜140與所述源極120和漏極130分離。所述受光部150與所述源極120或所述受光部150與漏極130之間產(chǎn)生隧穿。此時(shí)，為了便于產(chǎn)生所述隧穿，優(yōu)選氧化膜140的厚度形成為10nm以下。

與通常的MOSFET元件的柵極不同，所述受光元件100在除了所述受光部150的上部151之外的剩余區(qū)域的上部形成有遮光層170。

圖2-受光元件的工作原理

圖2是用于說(shuō)明基于本發(fā)明的一實(shí)施例的受光元件的工作原理的剖視圖。

參考圖2，本發(fā)明的受光元件100通過(guò)受光部150的上部接收光。通過(guò)入射光在源極120與受光部150及漏極130與受光部150之間形成恒定電場(chǎng)，通過(guò)入射光在源極120與漏極130之間形成通道160。具體而言，通過(guò)入射于受光部150的光產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(electron-hole pair，EHP)，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的電子隧穿氧化膜140而釋放到源極120或漏極130。

隨著電子從受光部150損失，受光部150中的空穴的電荷量相對(duì)增加。這種電荷量的變化會(huì)降低所述通道160的閾值電壓而使電流流過(guò)通道。

另一方面，所述受光元件100能夠以L(fǎng)DD(light doped drain)結(jié)構(gòu)形成。若通過(guò)LDD工序?qū)崿F(xiàn)受光元件100，則能夠減少因短通道效果而引起的熱載流子(hot carrier)的產(chǎn)生。

以NMOS型受光元件100為例，受光元件100形成于P型基板110上，并包括由以高濃度摻雜的N型擴(kuò)散層形成的源極120及漏極130。在源極120與漏極130之間，作為以低濃度摻雜的N型擴(kuò)散層的LDD區(qū)域123、133分別鄰接于源極120及漏極130而形成。所述受光部150的長(zhǎng)度能夠形成為等于或長(zhǎng)于在源極的LDD區(qū)域123與漏極的LDD區(qū)域133之間的長(zhǎng)度。

當(dāng)具有比所摻雜的雜質(zhì)的結(jié)合能量及多晶硅的能隙大的能量的光照射到受光部150時(shí)，在受光部150通過(guò)光激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并且所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分別以電子和空穴的狀態(tài)存在一定時(shí)間，直到重新結(jié)合。

分離的電子在作為受光部150的多晶硅的晶界的外部自由地移動(dòng)。此時(shí)，若對(duì)源極120或漏極130施加電壓，則電子被拉到源極或漏極的LDD區(qū)域123、133的邊緣(edge)附近。被拉出的電子累積到與LDD區(qū)域123、133相鄰的受光部150的邊緣附近的同時(shí)形成電場(chǎng)。隨著聚集的電子數(shù)增加，形成相對(duì)更強(qiáng)的電場(chǎng)。由此，受光部150的邊緣附近的電子的聚集現(xiàn)象進(jìn)一步加速。照射于受光部150的光越強(qiáng)，產(chǎn)生越多的電子-空穴對(duì)，并形成越大的電場(chǎng)。

源極的LDD區(qū)域123與受光部150之間的距離最短的邊緣附近141及漏極的LDD區(qū)域133與受光部150之間的距離最短的邊緣附近142容易產(chǎn)生隧穿。在所述邊緣附近141、142滿(mǎn)足能級(jí)條件的時(shí)刻產(chǎn)生電子的隧穿。聚集到受光部150的邊緣附近141、142的電子通過(guò)隧穿而移動(dòng)到源極120或漏極130。因此，產(chǎn)生空穴的電荷量增加與損失的電子數(shù)相應(yīng)的量的效果，受光部150中的電荷量的變化導(dǎo)致降低通道的閾值電壓的效果，結(jié)果通過(guò)入射于受光部150的光在受光元件100的通道160感應(yīng)電流。

與以往的光電二極管相比，這種結(jié)構(gòu)的受光元件能夠產(chǎn)生相對(duì)于相同光量而言幾百～幾千倍以上的光電流的流動(dòng)。具體而言，光電二極管僅以累積在靜電電容的電荷量來(lái)區(qū)分亮度。相反，所述受光元件100由光引起的受光部150的電荷量變化發(fā)揮電場(chǎng)效果的作用，從而能夠控制通道的電流流動(dòng)。并且，通過(guò)漏極無(wú)限提供所需的電荷，因此具有放大來(lái)自受光元件本身的信號(hào)的效果。從而，可以在不設(shè)計(jì)單獨(dú)的信號(hào)放大元件的情況下實(shí)現(xiàn)圖像傳感器的像素單元，由此實(shí)現(xiàn)小型化。

另一方面，所述受光元件100在制造工序的過(guò)程中調(diào)整受光部150的摻雜濃度來(lái)制造，使得在未向源極120及漏極130施加外部電壓的狀態(tài)下，所述通道160成為即將夾斷(pinch off)之前的狀態(tài)。

此時(shí)，為了找到最佳閾值電壓條件，不僅考慮受光部150的摻雜濃度，而且一同考慮柵極的縱橫比(W/L)、所摻雜的離子的種類(lèi)、氧化膜的厚度、氧化膜的介電常數(shù)等其他特性來(lái)以反復(fù)的方式實(shí)驗(yàn)制作受光元件100。具體而言，受光部150的摻雜濃度直接與對(duì)應(yīng)于所述通道160的硅Si表面電位的位移相關(guān)，通過(guò)表面電位的位移來(lái)改變硅表面的費(fèi)米能級(jí)與本征能級(jí)的間隔，由此調(diào)整閾值電壓。

這種情況下，在制造工序中受光部150中摻雜較多的雜質(zhì)時(shí)，所述費(fèi)米能級(jí)與本征能級(jí)的間隔可能與適當(dāng)?shù)拈g隔相比過(guò)度變窄或者兩個(gè)能級(jí)重疊，由此，即使在光沒(méi)有入射的狀態(tài)下，過(guò)度的暗電流也能夠在通道160中流動(dòng)。

圖3-靈敏度調(diào)整受光元件的結(jié)構(gòu)

圖3是基于本發(fā)明的一實(shí)施例的靈敏度調(diào)整受光元件的結(jié)構(gòu)的圖。

參考圖3，靈敏度調(diào)整受光元件200與所述圖1的受光元件100同樣地通過(guò)受光部250來(lái)接收光，并利用隧穿來(lái)調(diào)整通道的閾值電壓，以產(chǎn)生流過(guò)通道的光電流。以下，將所述靈敏度調(diào)整受光元件200以PMOS結(jié)構(gòu)形成的情況作為例子進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)然，也可將所述靈敏度調(diào)整受光元件200設(shè)為NMOS結(jié)構(gòu)。省略與所述圖1的受光元件相同的說(shuō)明。

所述靈敏度調(diào)整受光元件200形成于P型基板210上，向P型基板210注入N型雜質(zhì)來(lái)形成N阱215。之后，向所形成的N阱215上注入高濃度的P型雜質(zhì)來(lái)形成源極220和漏極230。源極220與漏極230的上部形成有較薄的氧化膜240，在所述氧化膜240的上部，受光部250隔著氧化膜240與所述源極220及漏極230對(duì)置地形成。

源極220與漏極230的上部形成與外部節(jié)點(diǎn)連結(jié)的金屬觸點(diǎn)221、231。源極220通過(guò)與金屬觸點(diǎn)221連結(jié)的金屬線(xiàn)222而連結(jié)于外部，同樣地，漏極230通過(guò)與金屬觸點(diǎn)231連結(jié)的金屬線(xiàn)232而連結(jié)于外部。

所述N阱215以浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形成。通過(guò)N阱215浮動(dòng)，能夠更容易檢測(cè)通過(guò)光的入射而產(chǎn)生的受光部250內(nèi)的電荷量的變化。

所述受光部250能夠由摻雜有N型或P型雜質(zhì)的多晶硅形成。在所述受光部250的一側(cè)形成靈敏度調(diào)整終端252。所述靈敏度調(diào)整終端252通過(guò)形成于在受光部250未接收光的區(qū)域的金屬終端251而連結(jié)于所述受光部250。所述受光元件200控制通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端252所施加的外部電壓，并調(diào)整通道260的閾值電壓。

除了所述受光部250的上部以外的受光元件200的剩余區(qū)域的上部形成遮光層270。所述遮光層270阻擋來(lái)自除了受光部250以外的區(qū)域的光的入射。遮光層270中所包含的金屬性雜質(zhì)難以產(chǎn)生基于光的電子-空穴對(duì)，反射相當(dāng)大量的入射的光，以阻擋光在受光部250以外的區(qū)域被吸收。這是為了使吸收了光的受光部250的光電荷有效地進(jìn)行隧穿。并且，是為了獲得能夠抑制和控制所提供的通道260以外的寄生電荷的產(chǎn)生的光電流。所述遮光層270能夠通過(guò)金屬或硅化物(silicide)工序來(lái)形成，并且能夠通過(guò)掩膜排除在受光部250的上部的遮光層270的形成。

圖4、圖5-靈敏度調(diào)整原理

圖4是用于說(shuō)明圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的靈敏度調(diào)整原理的圖，圖5是用于說(shuō)明圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的動(dòng)作過(guò)程的圖。以下，對(duì)所述靈敏度調(diào)整受光元件為PMOS結(jié)構(gòu)的情況為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖4中示出由受光部250、氧化膜240、硅通道260構(gòu)成的所述靈敏度調(diào)整受光元件200的能量帶的圖表。所述靈敏度調(diào)整受光元件200使用與受光部250連結(jié)的靈敏度調(diào)整終端252施加任意的外部電壓來(lái)調(diào)整通道的閾值電壓條件。

如圖4(a)所示，若通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端252對(duì)受光部250施加設(shè)定電壓以上的外部電壓(Vg)(例如，設(shè)定電壓為1.9V時(shí)施加2.5V的情況)，則能夠形成PMOS通道的硅表面的電位狀態(tài)成為比作為夾斷條件的‘EF＝Ei’更大的閾值電壓條件‘EF＞Ei’。在所述閾值電壓條件中，電流不在通道260中流動(dòng)，并且受光元件200與光的施加無(wú)關(guān)地成為不作為受光元件而工作的狀態(tài)，即復(fù)位狀態(tài)。這類(lèi)似于在具備作為圖1的浮動(dòng)?xùn)艠O的受光部150的受光元件100，在受光部150中未摻雜雜質(zhì)的本征(intrinsic)的狀態(tài)或N型離子被少量摻雜的情況。

另一方面，如上述通過(guò)靈敏度調(diào)整終端252將設(shè)定電壓以上的外部電壓施加到圖像傳感器的所有像素單元的受光部250時(shí)，被施加電壓的同時(shí)，所有的像素單元成為復(fù)位狀態(tài)。以這種方式，在不附加單獨(dú)的晶體管元件的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)電子快門(mén)功能。

在圖4(b)中示出通過(guò)所述靈敏度調(diào)整終端252對(duì)受光部250施加設(shè)定電壓(例如，圖4(b)中為1.9V)的情況的能量帶圖表。此時(shí)，硅表面的電位接近‘EF＝Ei’，通道260成為即將夾斷之前的狀態(tài)。并且，在該狀態(tài)下，如果光沒(méi)有入射到受光部250時(shí)，光電流不流過(guò)通道260，當(dāng)少量的光入射到受光部250時(shí)，光激發(fā)的電子隧穿到漏極或者源極，這降低了閾值電壓，從而光電流在通道中流動(dòng)。這與以在具備成為圖1的浮動(dòng)?xùn)艠O的受光部150的受光元件100的硅表面中的費(fèi)米能級(jí)與本征能級(jí)近似的方式適當(dāng)調(diào)整受光部150的P型雜質(zhì)的摻雜濃度及縱橫比(W/L)來(lái)設(shè)計(jì)的情況類(lèi)似。但是，不同于圖1的受光元件100，所述靈敏度調(diào)整受光元件200在如下方面大為不同，即為了使通道成為夾斷之前的狀態(tài)，無(wú)需在制造工序中精細(xì)地調(diào)整雜質(zhì)的摻雜濃度或離子極性、縱橫比等，能夠通過(guò)靈敏度調(diào)整終端252施加適當(dāng)?shù)脑O(shè)定電壓來(lái)調(diào)整通道260的閾值電壓。并且，若在施加有所述設(shè)定電壓的狀態(tài)下短時(shí)間內(nèi)對(duì)受光元件入射大量的光，則有可能過(guò)量的光電流在通道中流動(dòng)，使影像成為飽和狀態(tài)。為了防止這種問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光功能，以便在大量的光突然入射時(shí)，稍微較高地(例如，稍微高于1.9V)設(shè)定所述設(shè)定電壓來(lái)施加，由此以提前防止受光元件中的影像飽和。

在圖4(c)中示出在通過(guò)靈敏度調(diào)整終端252將0V的外部電壓施加到受光部250的狀態(tài)的能量帶圖表。此時(shí)，在硅表面，費(fèi)米能級(jí)和本征能級(jí)重疊而電位中形成空穴累積區(qū)域(hole accumulation regime)，并成為電流始終在通道中流動(dòng)的狀態(tài)。該狀態(tài)下，在通道中流動(dòng)的大部分電流由暗電流構(gòu)成。從而，通過(guò)靈敏度調(diào)整終端252施加到受光部250的外部電壓設(shè)為0V以上，由此能夠減少暗電流成分并增加信號(hào)電流成分，從而容易提高受光檢測(cè)效率。

如此，通過(guò)靈敏度調(diào)整終端252施加到受光部250的外部電壓需要考慮光檢測(cè)性能和暗電流成分來(lái)進(jìn)行設(shè)定。并且，通過(guò)靈敏度調(diào)整終端252施加的外部電壓能夠通過(guò)適當(dāng)調(diào)整受光部250中摻雜的雜質(zhì)的濃度或離子的極性、縱橫比等來(lái)減小其大小，由此能夠節(jié)省圖像傳感器整體的耗電量。

參考圖5，所述靈敏度調(diào)整受光元件200通過(guò)調(diào)整施加于靈敏度調(diào)整終端252的外部電壓來(lái)調(diào)整通道260的閾值電壓。若調(diào)整通道260的閾值電壓，則所述通道260成為即將夾斷之前的狀態(tài)，并且在所述源極220、漏極230及通道260的周?chē)纬珊谋M層261。

在即將夾斷之前的狀態(tài)下，對(duì)受光部250照射光時(shí)，在受光部250與源極220或者受光部250與漏極230之間的邊緣附近持續(xù)產(chǎn)生隧穿現(xiàn)象。此時(shí)，光的強(qiáng)度越強(qiáng)，漏極230側(cè)的隧穿更顯著地起作用，光的強(qiáng)度越弱，源極220側(cè)隧穿更顯著地起作用，從而維持平衡狀態(tài)。

圖6、圖7-像素單元的實(shí)施例

接著，參考附圖對(duì)利用所述靈敏度調(diào)整受光元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的圖像傳感器的像素單元的優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。

圖6是利用圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的像素單元的電路圖的一例。圖6所示的像素單元包括一個(gè)靈敏度調(diào)整受光元件200和一個(gè)選擇元件300。

此時(shí)，所述選擇元件能夠由各種元件實(shí)現(xiàn)。例如，利用以往的MOSFET結(jié)構(gòu)形成選擇元件。此時(shí)，可以通過(guò)單個(gè)MOSFET制造工序來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)整受光元件200與選擇元件300，因此能夠降低制造成本，并可以簡(jiǎn)化制造工序。

靈敏度調(diào)整受光元件200的漏極230與電源電壓VDD連結(jié)，源極220與選擇元件300的漏極330連結(jié)。所述靈敏度調(diào)整受光元件200的受光部250的上部被打開(kāi)，以便光能夠入射，在受光部250的未打開(kāi)的區(qū)域連接有用于施加外部電壓的靈敏度調(diào)整終端252。

靈敏度調(diào)整受光元件200的主體210及選擇元件300的主體310能夠由浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形成。此時(shí)，在由切換操作的選擇元件300的柵極控制中，可以通過(guò)施加略高于電源電壓(VDD)的電壓來(lái)維持切換功能。

選擇元件300的源極320與像素單元輸出端(Pixel out)連結(jié)而切換控制靈敏度調(diào)整受光元件200的輸出。用于控制選擇元件300的開(kāi)/關(guān)的控制信號(hào)(select)通過(guò)柵極350來(lái)施加。

所述像素單元以陣列方式配置并構(gòu)成圖像傳感器。此時(shí)，能夠按每個(gè)像素單元對(duì)靈敏度調(diào)整終端施加不同的電壓，由此由分別具有不同的靈敏度值的傳感器來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。并且，能夠通過(guò)調(diào)整每個(gè)像素單元的靈敏度來(lái)以電路調(diào)整每個(gè)像素單元的特性的不均勻性，由此確保圖像傳感器的均勻性。

圖7是由圖6的靈敏度調(diào)整受光元件200和選擇元件300構(gòu)成的像素單元的剖視圖。

如圖7所示，靈敏度調(diào)整受光元件200和選擇元件300都以相同的基板為主體通過(guò)浮動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，靈敏度調(diào)整受光元件200的源極210和選擇元件300的漏極330可以形成于相同的有源區(qū)域上，像素單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能夠減小像素單元的大小。

圖8、圖9-像素單元的另一實(shí)施例

圖8示出利用圖3的靈敏度調(diào)整受光元件的像素單元的電路圖的另一例。圖8所示的像素單元包括一個(gè)靈敏度調(diào)整受光元件400、一個(gè)選擇元件500及一個(gè)復(fù)位元件600。

與所述靈敏度調(diào)整受光元件400及選擇元件500相同地，所述復(fù)位元件600能夠由MOSFET結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由此，通過(guò)單個(gè)MOSFET制造工序一次性實(shí)現(xiàn)單一的像素單元中所包含的靈敏度調(diào)整受光元件400、選擇元件500及復(fù)位元件600，由此，可降低制造成本，并且能夠簡(jiǎn)化制造工序。

所述靈敏度調(diào)整受光元件400的漏極與電源電壓VDD連結(jié)，源極與選擇元件500的漏極連結(jié)，所述選擇元件500的源極與像素單元輸出端(Pixel out)連結(jié)。

所述復(fù)位元件600的漏極與所述靈敏度調(diào)整受光元件400的N阱主體連結(jié)，在所述復(fù)位元件600的源極施加用于復(fù)位的偏置電壓。所述N阱作為分離相鄰的元件的元件分離阱而發(fā)揮功能。

取消選擇(Unselect)的狀態(tài)，即選擇元件500為關(guān)閉(off)的狀態(tài)下，像素單元通過(guò)所述復(fù)位元件600復(fù)位。具體而言，若對(duì)所述復(fù)位元件600的源極施加偏置電壓，則對(duì)與復(fù)位元件600的漏極連結(jié)的靈敏度調(diào)整受光元件400的N阱施加恒定電壓來(lái)去除N阱的殘留電荷，由此將靈敏度調(diào)整受光元件400初始化。

若復(fù)位元件600的初始化過(guò)程結(jié)束，則使選擇元件500動(dòng)作而使靈敏度調(diào)整受光元件400動(dòng)作。在靈敏度調(diào)整受光元件400的工作之前將浮動(dòng)的N阱中殘留的電荷全部去除，因此能夠抑制基于殘留電荷的暗電流的產(chǎn)生。

所述N阱連結(jié)有所述復(fù)位元件600的漏極，但在復(fù)位工作結(jié)束之后，即選擇元件500處于開(kāi)(on)狀態(tài)、靈敏度調(diào)整受光元件400為工作的狀態(tài)下，所述N阱為與浮動(dòng)的狀態(tài)相同，因此光電流不會(huì)流失。

圖9是由圖8的靈敏度調(diào)整受光元件400、選擇元件500及復(fù)位元件600構(gòu)成的像素單元的剖視圖。

如圖9所示，所述靈敏度調(diào)整受光元件400、選擇元件500及復(fù)位元件600都在相同的基板上直接實(shí)現(xiàn)或形成N阱來(lái)實(shí)現(xiàn)，如上所述，所述N阱在靈敏度調(diào)整受光元件400的工作過(guò)程中維持浮動(dòng)的狀態(tài)。此時(shí)，所述像素單元僅由作為MOSFET結(jié)構(gòu)的靈敏度調(diào)整受光元件400、選擇元件500及復(fù)位元件600構(gòu)成，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并通過(guò)單個(gè)MOSFET制造工序一次性實(shí)現(xiàn)像素單元，從而簡(jiǎn)化制造工序。

以上的說(shuō)明僅僅是例示性說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，只要是具有通常的知識(shí)的本發(fā)明的領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)的特性的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種修改和變更。

從而，本發(fā)明中公開(kāi)的實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，并不是要限定本發(fā)明的技術(shù)思想，因此本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍并非由這些實(shí)施例限定。

本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)通過(guò)以下的權(quán)利要求來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)幱谂c其同等范圍內(nèi)的所有技術(shù)思想應(yīng)解釋為包括本發(fā)明的權(quán)利范圍。