具有高动态范围的图像传感器制造技术

本申请涉及具有高动态范围的图像传感器。一种光电二极管响应于暴露于光中而生成光生电荷。积分周期收集这些光生电荷。超过溢出阈值的所收集光生电荷被传递至溢出感测节点。剩余的所收集光生电荷被传递至感测节点。从该溢出感测节点中读取表示这些溢出光生电荷的第一信号。从该感测节点中读取表示这些剩余光生电荷的第二信号。

【技术实现步骤摘要】
具有高动态范围的图像传感器
本专利技术涉及图像传感器，并且具体地，涉及具有高动态范围的图像传感器。
技术介绍
参照图1，该图示出了常规图像传感器像素10的电路图。像素10包括光电二极管12，该光电二极管具有耦合至第一电源电压节点(V衬底；即，衬底电压，例如，地电势)14的阳极以及耦合至电荷收集节点16的阴极。光电二极管12可以例如属于引脚式光电二极管类型。n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)18(被称为抗晕光晶体管)具有耦合至电荷收集节点16的源极端子以及耦合至第二电源电压节点(Vrt；即，像素参考电压)20的漏极端子。耦合抗晕光晶体管18的栅极端子以便接收抗晕光晶体管控制信号(Cab)。n沟道MOSFET22(被称为传输门晶体管)具有耦合至电荷收集节点16的源极端子以及耦合至感测节点24的漏极端子。耦合传输门晶体管22的栅极端子以便接收传输门控制信号(Ctg)。感测节点24在本领域中也被称为浮动扩散节点并且具有相关联的寄生电容。n沟道MOSFET26(被称为复位晶体管)具有耦合至第三电源电压节点(Vrst；即，像素复位电压)28的漏极端子和耦合至感测节点24的源极端子。电压Vrt和Vrst根据应用而可以或可以不处于相同电压电势。耦合复位晶体管26的栅极端子以便接收复位控制信号(Crst)。n沟道MOSFET30具有耦合至感测节点24的栅极端子。晶体管30起源极跟随器晶体管的作用。源极跟随器晶体管30的漏极端子耦合至第二电源电压节点(Vrt)20，而源极端子耦合至中间(读取)节点32。中间节点32处的电压跟随感测节点24处的电压。n沟道MOSFET34(被称为读取晶体管)具有耦合至中间节点32的漏极端子和耦合至输出线路(VX)36的源极节点。耦合读取晶体管34的栅极端子以便接收读取控制信号(Crd)。在像素电路10是像素阵列的一部分的实施例中，输出线路(VX)可由阵列的列中的多个像素共享。现在另外地参照图2。对像素10的操作如下：首先将像素10置于复位模式。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管18(参考号70)并对光电二极管12进行复位。复位控制信号(Crst)也被断言接通复位晶体管26(参考号72)并对感测节点24进行复位。然后，像素10进入积分阶段。复位控制信号(Crst)被解除断言提高相应势垒(参考号74)。由光电二极管12接收光40，并且在电荷收集节点16处的电荷收集区域中产生(参考号76)光生电荷。如果光40很强，或者积分时间段太长，则可能产生使电荷收集节点16处的阴极电势下降到光电二极管12的阳极电势以下的过量光生电荷。在这种情况下，光电二极管12变得被正向偏置，并且过量电荷将溢出到相邻像素中。这种效应在本领域中被称为“晕光”。为了解决此问题，抗晕光二极管控制信号(Cab)被设置为将稍微减小抗晕光晶体管18所呈现的势垒的电压电平(参考号78)。在这种配置中，过量光生电荷相反传递(参考号80)至抗晕光晶体管18的漏极端子。在积分阶段结束时，像素10进入电荷转移阶段。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被解除断言提高相应势垒(参考号82)。传输门控制信号(Ctg)被断言降低相应势垒(参考号84)，并且光生电荷由传输门晶体管22传递至感测节点24(参考号86)。像素10现在进入读出阶段。感测节点24上的电压电势经由源极跟随器晶体管30转移至中间(读取)节点32。读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管34并将中间节点32处的电压转移至输出线路(VX)36(参考号88)。以以上所描述的方式来进行的对像素10的操作可能对动态范围具有不利影响。虽然抗晕光电路和操作用于解决与晕光有关的问题，但是通过抗晕光晶体管18排出到电流节点20中的光生电荷丢失并且根本不贡献于读出到输出线路(VX)36中的信号。
技术实现思路
在实施例中，一种图像传感器像素电路包括：光电二极管，该光电二极管被配置成用于响应于暴露于光中而产生光生电荷以供在电荷收集节点处进行积分；传输门晶体管电路，该传输门晶体管电路耦合至该电荷收集节点并且被配置成用于将这些积分光生电荷的第一部分传递至感测节点；溢出晶体管，该溢出晶体管耦合至该电荷收集节点并且被配置成用于将这些积分光生电荷的第二部分传递至溢出感测节点；以及读取电路，该读取电路耦合至该感测节点和该溢出感测节点并且被配置成用于从该感测节点中读出表示该第一部分的第一信号并且从该溢出感测节点中读出表示该第二部分的第二信号。在实施例中，一种图像传感器像素电路包括：光电二极管，该光电二极管具有电荷收集节点；传输门晶体管，该传输门晶体管耦合在该电荷收集节点与感测节点之间；溢出晶体管，该溢出晶体管耦合在该电荷收集节点与溢出感测节点之间，该溢出晶体管呈现第一势垒，该第一势垒用于将电荷的第一部分从该电荷收集节点传递至该溢出感测节点；以及抗晕光晶体管，该抗晕光晶体管耦合在该电荷收集节点与电源节点之间，该抗晕光晶体管呈现第二势垒，该第二势垒用于将电荷的第二部分从该电荷收集节点传递至该电源节点；其中，该第一势垒低于该第二势垒。在实施例中，一种方法包括：响应于光电二极管暴露于光中而产生光生电荷；通过积分来收集这些光生电荷；将所收集的这些光生电荷中超过第一势垒的一部分传递至溢出感测节点；将所收集的这些光生电荷的剩余部分传递至感测节点；从该溢出感测节点中读取第一信号，该第一信号表示所收集的这些光生电荷中超过该第一势垒的该部分；以及从该感测节点中读取第二信号，该第二信号表示所收集的这些光生电荷的该剩余部分。附图说明为了更好地理解实施例，现在将仅通过示例的方式参照附图，在附图中：图1是常规图像传感器像素的电路图；图2展示了在对图1的传感器像素的操作的情景下的势阱；图3是图像传感器像素的电路图；图4A和图4B展示了在对图3的传感器像素的操作的情景下的势阱；图5是图像传感器像素的电路图；图6A和图6B展示了在对图5的传感器像素的操作的情景下的势阱；图7是图像传感器像素的电路图；图8A和图8B展示了在对图7的传感器像素的操作的情景下的势阱；图9示出了图像传感器像素的布局；图10是电容式深沟槽隔离结构的横截面视图；图11是电容器结构的横截面视图；以及图12是晶体管结构的横截面视图。具体实施方式现在参照图3，该图示出了图像传感器像素100的电路图。像素100包括光电二极管112，该光电二极管具有耦合至第一电源电压节点(V衬底，衬底电压，例如，地电势)114的阳极和耦合至电荷收集节点116的阴极。光电二极管112可以例如属于引脚式光电二极管类型。n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)118(被称为抗晕光晶体管)具有耦合至电荷收集节点116的源极端子和耦合至第二电源电压节点(Vrt；像素参考电压)120的漏极端子。耦合抗晕光晶体管118的栅极端子以便接收抗晕光晶体管控制信号(Cab)。n沟道MOSFET122(被称为存储器传输门晶体管)具有耦合至电荷收集节点116的源极端子和耦合至存储器节点124的漏极端子。耦合存储器传输门晶体管122的栅极端子以便接收第一传输门控制信号(Ctg1)。存储器节点124是采用引脚式电容(例如由引脚式存储器二极管形成)128的形式的电荷存储节点，该电荷存储节点具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图像传感器像素电路，包括：光电二极管，所述光电二极管被配置成用于响应于暴露于光中而产生光生电荷以供在电荷收集节点处进行积分；传输门晶体管电路，所述传输门晶体管电路耦合至所述电荷收集节点并且被配置成用于将所述积分光生电荷的第一部分传递至感测节点；溢出晶体管，所述溢出晶体管耦合至所述电荷收集节点并且被配置成用于将所述积分光生电荷的第二部分传递至溢出感测节点；以及读取电路，所述读取电路耦合至所述感测节点和所述溢出感测节点并且被配置成用于从所述感测节点中读出表示所述第一部分的第一信号并且从所述溢出感测节点中读出表示所述第二部分的第二信号。

【技术特征摘要】
2016.12.13 US 15/376,7921.一种图像传感器像素电路，包括：光电二极管，所述光电二极管被配置成用于响应于暴露于光中而产生光生电荷以供在电荷收集节点处进行积分；传输门晶体管电路，所述传输门晶体管电路耦合至所述电荷收集节点并且被配置成用于将所述积分光生电荷的第一部分传递至感测节点；溢出晶体管，所述溢出晶体管耦合至所述电荷收集节点并且被配置成用于将所述积分光生电荷的第二部分传递至溢出感测节点；以及读取电路，所述读取电路耦合至所述感测节点和所述溢出感测节点并且被配置成用于从所述感测节点中读出表示所述第一部分的第一信号并且从所述溢出感测节点中读出表示所述第二部分的第二信号。2.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，进一步包括抗晕光晶体管，所述抗晕光晶体管被配置成用于将所述积分光生电荷的第三部分传递至电源节点。3.如权利要求2所述的图像传感器像素电路，其中，所述溢出晶体管的用于将所述积分光生电荷的所述第二部分传递至所述溢出感测节点的势垒小于用于所述抗晕光晶体管的将所述积分光生电荷的所述第三部分传递至所述电源节点的势垒。4.如权利要求3所述的图像传感器像素电路，其中，所述溢出晶体管和所述抗晕光晶体管各自包括晶体管结构，所述晶体管结构包括：掺杂沟道区域；以及在所述掺杂沟道区域的相反侧上的一对电容式深沟槽隔离结构，每个电容式深沟槽隔离结构包括导电区域，所述导电区域被配置成由控制电压进行偏置，所述控制电压耗尽所述掺杂沟道区域的载流子。5.如权利要求4所述的图像传感器像素电路，其中，所述一对电容式深沟槽隔离结构之间的间距与所述控制电压的组合设置所述势垒。6.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述光电二极管产生所述光生电荷以供在单个积分周期期间进行积分。7.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述传输门晶体管电路包括：存储器传输门晶体管，所述存储器传输门晶体管耦合在所述电荷收集节点与存储器节点之间；以及感测传输门晶体管，所述感测传输门晶体管耦合在所述存储器节点与所述感测节点之间。8.如权利要求7所述的图像传感器像素电路，进一步包括耦合至所述存储器节点的存储电路。9.如权利要求8所述的图像传感器像素电路，其中，所述存储电路是引脚式存储器二极管电路。10.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，进一步包括电荷存储电路，所述电荷存储电路耦合至所述溢出感测节点以便存储所述第二电荷。11.如权利要求10所述的图像传感器像素电路，其中，所述电荷存储电路包括电容器。12.如权利要求11所述的图像传感器像素电路，其中，所述电容器包括：第一电容器极板，所述第一电容器极板形成衬底区域；以及第二电容器极板，所述第二电容器极板由与所述衬底区域相邻的电容式深沟槽隔离结构的导电区域形成。13.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述读取电路包括：第一源极跟随器晶体管，所述第一源极跟随器晶体管具有耦合至所述感测节点的栅极端子以及通过第一读取晶体管耦合至第一输出线路的源极端子；以及第二源极跟随器晶体管，所述第二源极跟随器晶体管具有耦合至所述溢出感测节点的栅极端子以及通过第二读取晶体管耦合至第二输出线路的源极端子。14.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述读取电路包括：第一复位晶体管，所述第一复位晶体管耦合在所述溢出感测节点与所述感测节点之间；以及源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有耦合至所述感测节点的栅极端子以及通过读取晶体管耦合至输出线路的源极端子。15.如权利要求14所述的图像传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·马林格，F·拉兰尼，
申请(专利权)人：意法半导体克洛尔二公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR