图像传感器和像素制造技术

本实用新型专利技术涉及图像传感器和像素。提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列的每个像素包括：光电探测器，所述光电探测器在半导体衬底中形成，并且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域；接收装置，所述接收装置在所述半导体衬底中而且邻近所述电荷收集区域形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底上并与所述半导体衬底绝缘、接收响应度控制信号的栅极；以及读出电路，所述读出电路响应于选择信号将由所述光电探测器的所述电荷收集区域收集的所述光电荷转移到输出。

【技术实现步骤摘要】

本公开整体涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围的图像传感器。
技术介绍
电子图像传感器存在于各种实用产品中，包括照相机、摄像机、蜂窝电话、医疗装置、机器视觉仪器等。图像传感器具有特征动态范围。动态范围是指可由像素数据的单一帧中的图像传感器所调节的入射光的范围。希望具有具备高动态范围的图像传感器以对产生高动态范围入射信号的场景进行成像，诸如具有通向外部的窗的室内房间、具有混合的阴影与明亮日照的室外场景、组合人工照明与阴影的夜间场景，以及许多其他场景。例如，在照相机中，通常存在两种方式来调整图像曝光以实现高动态范围。第一种方式是改变快门速度。第二种方式是改变光圈的大小。调整图像曝光的这些方式中的两种控制施加到胶卷或施加到电子图像传感器的光量。在数字照相机中，图像传感器可电子地改变快门速度。然而，使用脉冲发光二极管(LED)的光已变得普遍，并且由于与短积分时间相关的可能闪烁效果，保持传感器积分时间常数甚至更重要。此外，改变透镜光圈对于机器视觉应用不是非常实用。对于扩展图像传感器像素本身的动态范围存在若干种已知技术，包括使用压扩像素、对数像素、双转换增益像素，以及双光电二极管像素。然而，这些方法中的每个都具有缺点。压扩像素的缺点是其非线性响应，高像素固定图形噪声(FPN)，以及在拐点处的信噪比(SNR)下降。对数像素也受到高像素FPN和非线性的影响。双转换增益和双光电二极管像素仅具有两个预定的、离散响应度值，这限制其有效性。
技术实现思路
根据本技术的一个方面，提供一种图像传感器，所述图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列的每个像素包括：光电探测器，所述光电探测器在半导体衬底中形成，并且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域；接收装置，所述接收装置在所述半导体衬底中而且邻近所述电荷收集区域形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底上并与所述半导体衬底绝缘、接收响应度控制信号的栅极；以及读出电路，所述读出电路响应于选择信号将由所述光电探测器的所述电荷收集区域收集的所述光电荷转移到输出。在一个实施例中，所述接收装置还包括用于接收所述响应度控制信号的漏极。在一个实施例中，所述接收装置在所述电荷收集区域的第一侧，并且所述读出电路在所述电荷收集区域的与所述第一侧相背对的第二侧。在一个实施例中，所述图像传感器还包括：用于响应于所测得的照明水平来提供所述响应度控制信号的可变电压源。在一个实施例中，所述入射光包括入射到所述半导体衬底的背表面上的光。在一个实施例中，所述读出电路包括：转移栅极，所述转移栅极邻近所述光电探测器并且形成于所述半导体衬底的前表面中而且与所述半导体衬底的所述前表面绝缘，所述转移栅极用于形成从所述电荷收集区域到浮置扩散区的导电通道；以及源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有耦接到电源电压端子的漏极，耦接到所述浮置扩散区的栅极，以及用于提供像素输出信号的源极。根据本技术的另一个方面，提供一种用于图像感测的像素，包括：光电探测器，所述光电探测器具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域；接收装置，所述接收装置具有耦接到所述电荷收集区域的源极，用于接收响应度控制信号的栅极，和漏极；以及读出电路，所述读出电路具有耦接到所述电荷收集区域的输入，以及耦接到输出导体以用于向其提供像素输出的输出。在一个实施例中，所述接收装置的所述漏极耦接到其所述栅极。在一个实施例中，所述接收装置在所述电荷收集区域的第一侧，并且所述读出电路在所述电荷收集区域的与所述第一侧相背对的第二侧。在一个实施例中，所述读出电路包括：转移栅极，所述转移栅极用于将剩余电荷从所述电荷收集区域转移到浮置扩散区；源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有耦接到电源电压端子的漏极，耦接到所述浮置扩散区的栅极，和用于提供像素输出信号的源极；以及复位栅极，所述复位栅极用于响应于复位信号的激活而将基准电压端子耦接到所述浮置扩散区。附图说明本领域技术人员参照附图阅读本说明书，可以更好地理解本技术，也可以显而易见地认识到本技术的多种特征和优点，在附图中：图1以示意性形式示出本领域中已知的有源像素；图2以框图形式示出根据本技术的具有高动态范围的图像处理系统；图3以框图形式示出在图2的图像处理系统中使用的图像传感器；图4示出在图3的图像传感器中使用的具有相关联源极跟随器晶体管的像素的横截面；图5以在第一偏置条件下的对应势阱图示出图4的像素的横截面；图6以在第二偏置条件下的对应势阱图示出图4的像素的横截面；并且图7以在第三偏置条件下的对应势阱图示出图4的像素的横截面。在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否则词语“耦接”及相关词组意味着直接连接，以及通过本领域已知的方式间接电连接；而且除非另有说明，否则涉及直接连接的任一描述也涵盖采用适宜间接电连接形式的替代实施方式。具体实施方式图1以示意性形式示出本领域中已知的像素100。像素100是有源像素，其包括光电二极管110、转移栅极120、浮置扩散区130、N沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管140、150和160，以及列导体170。光电二极管110具有阴极，以及连接到地的阳极。晶体管120具有连接到浮置扩散区(FD)130的漏极，用于接收标记为“TG”的控制信号的栅极，以及连接到光电二极管110的阴极的源极。晶体管140具有连接到标记为“VAA”的电源电压端子的漏极，用于接收标记为“RST”的信号的栅极，以及连接到浮置扩散区130的源极。晶体管150具有连接到VAA的漏极，连接到浮置扩散区130的栅极，以及源极。晶体管160具有连接到晶体管150的源极的漏极，用于接收标记为“RS”的信号的栅极，以及连接到列导体170的源极。信号RS是行选择信号，其激活像素100以及相同行的图像传感器内的所有像素。在典型的实施中，图像传感器使用相关双采样(CDS)，其中从采样复位电平减去所获得的图像电平以补偿固定图形噪声。在复位周期期间，像素100响应于信号RST的激活而复位，这使得晶体管140导通并且将浮置扩散区130上拉至相对高的电压。在复位周期期间，转移栅极信号TG无效。晶体管150对应于浮置扩散区130上的电压减去晶体管150的阈值电压来提供该晶体管的源极上的电压。由于信号RS是激活的，所以晶体管160是导通的并且将复位电平传递到列导体170。在图像获取期间，信号RST是失活的，并且电荷载流子(在这种情况下为电子)以对应于入射光的量在光电二极管110的阴极处累积。信号TG被激活以将累积的电子转移到浮置扩散区130，从而减小浮置扩散区上的电压。晶体管150以源极跟随器配置连接并且充当有源放大器以缓冲浮置扩散区上的电压以在该晶体管的源极上提供等于VFD-VT的电压，其中VFD为浮置扩散区的电压并且VT为晶体管150的阈值电压。由于晶体管160是导通的，所以该电压被转移到列导体170。图2以框图形式示出根据本技术的具有高动态范围的图像处理系统200。图像处理系统200可为例如数字静态照相机、蜂窝电话照相机、数字视频摄像机等。图像处理系统200通常包括成像平台220、图像传感器230、处理器240、存储器250、显示器260，以及其他输入/输出(I/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器(300)，所述图像传感器包括像素阵列(310)，其特征在于所述像素阵列的每个像素(400)包括：光电探测器(420)，所述光电探测器在半导体衬底(410)中形成，并且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域(422)；接收装置(430)，所述接收装置在所述半导体衬底(410)中而且邻近所述电荷收集区域(422)形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底(410)上并与所述半导体衬底绝缘、接收响应度控制信号的栅极(432)；以及读出电路(440)，所述读出电路响应于选择信号将由所述光电探测器(420)的所述电荷收集区域(422)收集的所述光电荷转移到输出。

【技术特征摘要】
2015.06.24 US 14/748,5131.一种图像传感器(300)，所述图像传感器包括像素阵列(310)，其特征在于所述像素阵列的每个像素(400)包括：光电探测器(420)，所述光电探测器在半导体衬底(410)中形成，并且具有用于接收代表入射光的光电荷的电荷收集区域(422)；接收装置(430)，所述接收装置在所述半导体衬底(410)中而且邻近所述电荷收集区域(422)形成，所述接收装置具有覆盖在所述半导体衬底(410)上并与所述半导体衬底绝缘、接收响应度控制信号的栅极(432)；以及读出电路(440)，所述读出电路响应于选择信号将由所述光电探测器(420)的所述电荷收集区域(422)收集的所述光电荷转移到输出。2.根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于所述接收装置(430)还包括用于接收所述响应度控制信号的漏极。3.根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于所述接收装置(430)在所述电荷收集区域(422)的第一侧，并且所述读出电路(440)在所述电荷收集区域(422)的与所述第一侧相背对的第二侧。4.根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于还包括：用于响应于所测得的照明水平来提供所述响应度控制信号的可变电压源(320)。5.根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于：所述入射光包括入射到所述半导体衬底(410)的背表面(414)上的光。6.根据权利要求1所述的图像传感器(300)，其特征在于所述读出电路(440)包括：转移栅极(442)，所述转移栅极邻近所述光电探测器(420)并且形成于所述半导体衬底(410...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·博克，
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