图像传感器像素和成像系统技术方案

本公开涉及图像传感器像素和成像系统。要解决的一个技术问题是提供改进的图像传感器像素和成像系统。图像传感器像素包括：响应于图像光而生成电荷的光电二极管；浮动扩散节点；以及具有第一栅极和第二栅极的电荷转移晶体管，其中所述电荷转移晶体管被配置为将所生成的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点。通过本实用新型专利技术，可以获得改进的图像传感器像素和成像系统。

Image sensor, pixel and imaging system

The present disclosure relates to an image sensor, a pixel, and an imaging system. A technical problem to be solved is to provide improved image sensors, pixels, and imaging systems. The image sensor pixel includes: a photodiode response in image light generated charge; floating diffusion node; and a charge having a first gate and the second gate of the transfer transistor, wherein the charge transfer transistor is configured to charge the generated from the two photoelectric diode transferred to the floating diffusion node. The improved image sensor, the pixel and the imaging system can be obtained by the utility model.

【技术实现步骤摘要】
图像传感器像素和成像系统
本技术涉及固态图像传感器阵列，并且更具体地讲，涉及从对应图像传感器衬底的背面或正面照明的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列。
技术介绍
图像传感器像素已经在其中融入了用于从图像传感器像素排去溢出电荷的机制，从而防止在特定像素或像素组被过度曝光时电荷涌进阵列的相邻像素中。本技术详细描述了一种产生改进的溢出电荷控制的电荷转移栅极结构，其特别适合于从衬底的背面照明的小尺寸像素。该新型转移栅极结构允许将信号动态范围压缩直接引入到像素中。典型的图像传感器可通过以下方式来感测光：将碰撞光子转换成积聚(收集)到传感器像素中的电子(或空穴)。在完成每个积聚周期之后，收集到的电荷被转换为电压信号，这些电压信号被提供给与图像传感器关联的对应输出端子。通常，这种电荷到电压的转换直接在像素内执行，并且所得模拟像素电压信号通过各种像素寻址和扫描方案传输到输出端子。在被传送到片外之前，模拟像素电压信号可有时在片上被转换为数字同等信号。每个像素包括缓冲放大器(即源极跟随器)，该缓冲放大器驱动经由相应寻址晶体管连接至像素的输出感测线。在电荷到电压的转换完成之后并且在所得信号从像素传输出去之后，在聚积后续新电荷之前将像素重置。在包括用作电荷检测节点的浮动扩散(FD)的像素中，这个重置操作通过暂时接通重置晶体管来完成，该重置晶体管将浮动扩散节点连接到电压参考(通常是像素源极跟随器电流漏极节点)以排放(或移除)传输至浮动扩散节点上的任何电荷。然而，使用重置晶体管从浮动扩散节点移除电荷会生成热kTC重置噪声。使用相关双采样(CDS)信号处理技术来移除这种kTC重置噪声以实现所需的低噪声性能。利用CDS的典型CMOS图像传感器需要每个像素三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)，其中一个用作电荷转移晶体管。可以在若干光电二极管中共享像素电路晶体管中的一些，这也减小了像素尺寸。通常必须使图像传感器同时满足三个要求。具体地讲，图像传感器需要聚积空穴以减少暗电流，提供有效的光晕控制，并且保证在转移栅极完全接通时从光电二极管进行完整的电荷转移。无法同时轻易地满足这三个要求，这通常导致某些像素性能上的牺牲。另一个问题是一旦以特定转移栅极长度和掺杂程度设计并制作了像素，像素的光晕性能就被固定并且无法改变。这通常导致像素电荷阱容量的某些牺牲，该像素电荷阱容量必须建构到像素中以充当用于实现有效抗光晕操作的裕量。因此将希望能够提供改善的图像传感器像素设计。
技术实现思路
本技术要解决的一个技术问题是提供改进的图像传感器像素和成像系统。根据本技术的一个方面，提供了一种图像传感器像素，所述图像传感器像素，包括：响应于图像光而生成电荷的光电二极管；浮动扩散节点；以及具有第一栅极和第二栅极的电荷转移晶体管，其中所述电荷转移晶体管被配置为将所生成的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点。在一个实施例中，所述第二栅极插入在所述第一栅极与所述浮动扩散节点之间。在一个实施例中，所述第一栅极插入在所述第二栅极与所述光电二极管之间。在一个实施例中，所述第二栅极被配置为响应于接收控制信号而更改所述浮动扩散节点的电容。在一个实施例中，所述第二栅极被配置为接收增大所述浮动扩散节点的电容的预定的正偏压电压。在一个实施例中，所述浮动扩散节点的电荷转换因子响应于在所述第二栅极处接收预定的正偏压电压而减小。在一个实施例中，所述浮动扩散节点的电势响应于生成的电荷被转移到所述浮动扩散节点而从重置电平降低。在一个实施例中，当所述浮动扩散节点的电势变得低于所述第二栅极的电势时，电子在所述第二栅极下方流动。在一个实施例中，所述光电二极管包括具有边缘的第一耗尽区，并且其中所述浮动扩散节点包括具有边缘的第二耗尽区。在一个实施例中，所述第二栅极在电荷积聚周期期间接收控制信号，所述控制信号被配置为使所述第二耗尽区的边缘移位。在一个实施例中，所述第一耗尽区的边缘与所述第二耗尽区的边缘之间的距离响应于在所述第二栅极处接收所述控制信号而减小。在一个实施例中，所述第一耗尽区的边缘与所述第二耗尽区的边缘之间的距离响应于在所述第二栅极处接收所述控制信号而增大。根据本技术的另一方面，提供了一种成像系统，所述成像系统包括：中央处理单元；存储器；输入-输出电路；以及成像设备，其中所述成像设备包括：图像传感器像素的阵列，以及将图像聚焦到所述阵列上的透镜，其中所述图像传感器像素中的给定一个像素包括：响应于图像光而生成电荷的光电二极管；浮动扩散节点；以及具有第一栅极端子和第二栅极端子的电荷转移晶体管，其中所述电荷转移晶体管被配置为将所生成的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点，并且其中所述第二栅极被偏置以更改所述图像传感器像素的动态范围。在一个实施例中，所述光电二极管包括被配置为响应于所述图像光而生成电荷的多个光电二极管之一，其中所述电荷转移晶体管包括被配置为将所述生成的电荷从所述多个光电二极管转移到所述浮动扩散节点的多个电荷转移晶体管之一。本技术的一个有益效果是提供了改进的图像传感器像素和成像系统。附图说明图1是由光电二极管、电荷转移栅极、浮动扩散、倒掺杂BTPp阱、p+暗电流背面淬火层和像素隔离注入物构成的图像传感器像素的简化横截面侧视图的例子。图2是图1所示的类型的像素的电路图。图3是根据实施例的具有双栅极电荷转移晶体管结构的示例性像素的横截面侧视图，该双栅极电荷转移晶体管结构基于第二转移栅极偏压来提供击穿电势的调制。图4是根据实施例的图3所示类型的像素的电路图。图5是根据实施例的示例性图，该图示出在电荷读出期间图3和图4中所示类型的像素光电二极管中收集的电子数目和来自像素的对应输出电压之间的关系。图6是根据实施例的采用图3至图5的图像传感器像素的处理器系统的框图。具体实施方式相关申请的交叉引用本申请要求2015年10月15日提交的JaroslavHynecek技术的名称为“具有双栅极电荷转移晶体管的图像传感器像素(ImageSensorPixelsHavingDualGateChargeTransferringTransistors)”的美国临时申请No.62/241862的优先权，该临时申请以引用的方式并入本文中，并且据此要求其对共同主题的优先权。图1示出一种CMOS图像传感器结构中的像素100的简化电路图。图1的图示出像素区，诸如收集光生载流子的像素光电二极管、电荷转移晶体管的电荷转移(Tx)栅极104和浮动扩散(FD)109。像素100可制造在衬底101内，该衬底具有沉积在衬底的背面表面上的p+型掺杂层102。层102可防止界面态生成过多暗电流。设备衬底还可包括位于p+型掺杂层102上方的外延p-型掺杂层119。进入该区域的光子122可生成电荷载流子120，这些电荷载流子被收集至在区域106中形成的光电二极管(PD)的电势阱中。外延层119的表面可由氧化物层103覆盖，该氧化物层隔离掺杂多晶硅电荷转移栅极104与衬底。多晶硅栅极104可具有在栅极边缘处形成的间隔物110，其充当分离p+型掺杂光电二极管钉扎注入物105的边缘与n-型掺杂注入物106的图案化掩模，在该n-型掺杂注入物中形成用于储存电子的电势阱。光电二极管可由n-型掺杂层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器像素，其特征在于，包括：响应于图像光而生成电荷的光电二极管；浮动扩散节点；以及具有第一栅极和第二栅极的电荷转移晶体管，其中所述电荷转移晶体管被配置为将所生成的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点。

【技术特征摘要】
2015.10.15 US 62/241,862;2016.04.11 US 15/095,9181.一种图像传感器像素，其特征在于，包括：响应于图像光而生成电荷的光电二极管；浮动扩散节点；以及具有第一栅极和第二栅极的电荷转移晶体管，其中所述电荷转移晶体管被配置为将所生成的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点。2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第二栅极插入在所述第一栅极与所述浮动扩散节点之间。3.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第一栅极插入在所述第二栅极与所述光电二极管之间。4.根据权利要求3所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第二栅极被配置为响应于接收控制信号而更改所述浮动扩散节点的电容。5.根据权利要求3所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第二栅极被配置为接收增大所述浮动扩散节点的电容的预定的正偏压电压。6.根据权利要求3所述的图像传感器像素，其特征在于，所述浮动扩散节点的电荷转换因子响应于在所述第二栅极处接收预定的正偏压电压而减小。7.根据权利要求6所述的图像传感器像素，其特征在于，所述浮动扩散节点的电势响应于生成的电荷被转移到所述浮动扩散节点而从重置电平降低。8.根据权利要求7所述的图像传感器像素，其特征在于，当所述浮动扩散节点的电势变得低于所述第二栅极的电势时，电子在所述第二栅极下方流动。9.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·希内塞克，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：新型
国别省市：美国,US