彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法，包括：基底，位于基底中的感光单元、第一垂直栅、第二垂直栅和条栅，感光单元包括相互堆叠的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，绿光感光层置于红光感光层和蓝光感光层之间，感光单元用于读取光生电子数量；第一垂直栅的深度与蓝光感应层的深度相对应，第二垂直栅的深度与绿光感应层的深度相对应；位于第一垂直栅旁侧的第一传输源区和第一浮置扩散区，以及位于第二垂直栅旁侧的第二传输源区和第二浮置扩散区，第一传输源区与蓝光感光层通过第一沟道电连接，第二传输源区与绿光感光层通过第二沟道电连接，位于条栅旁侧的第三浮置扩散区与红光感光层通过第三沟道电连接。道电连接。道电连接。

【技术实现步骤摘要】
彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法


[0001]本专利技术涉及图像传感器
，尤其涉及一种彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法。

技术介绍

[0002]拜尔最早发现人眼对红绿蓝中的绿色最敏感，因此提出了1红2绿1蓝的RGGB排列方式将黑白信息转化成彩色信息，如图1所示的拜尔阵列。现在市场上大规模使用的CMOS图像传感器均采用拜耳阵列的红绿蓝三原色滤光片，但由于光线在经过滤镜时，只允许同种颜色的光进入，因此拜尔阵列的分色作用在转化颜色信息的同时也会导致光线强度的损失，示例性地，如图2所示，同时这种模式注定限制了有限面积上的像素数量，所以各生产厂商为了提升显示效果，会不遗余力的追求微缩像素大小。理想情况下，像素数越多意味着图像解析力越好，使得在光照充足条件下出片效果更好，可以让照片在被截取之后仍有较好的清晰度，从而助力更高倍率的数字变焦或混合变焦。然而，对于相同尺寸的CIS，如果不改进设计和工艺，单纯地提高像素数不一定提升成像效果，主要是因为原本属于某像素的外界光线，在以倾斜角度入射时，在穿过微透镜和彩色滤光片之后，可能会穿越到其临近的像素上，这会造成不同颜色的光发生串扰(crosstalk)，对最终的成像产生不利影响。
[0003]为此，亟需提供一种新的彩色像素单元结构的设计方案，以改善不同颜色的光串扰问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种彩色像素单元结构、电路、图像传感器和驱动方法，该彩色像素单元结构能够改善不同颜色的光串扰问题。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种彩色像素单元结构，包括：基底，所述基底包括相对设置的正面和背面；位于所述基底中的感光单元、第一垂直栅、第二垂直栅和条栅，所述第一垂直栅作为蓝光传输管，所述第二垂直栅作为绿光传输管，所述条栅作为红光传输管；所述感光单元包括相互堆叠的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，所述绿光感光层置于所述红光感光层和所述蓝光感光层之间，所述感光单元用于读取光生电子数量；第一垂直栅的深度与蓝光感应层的深度相对应，第二垂直栅的深度与绿光感应层的深度相对应；位于所述第一垂直栅旁侧的第一传输源区和第一浮置扩散区，以及位于所述第二垂直栅旁侧的第二传输源区和第二浮置扩散区，所述第一传输源区与所述蓝光感光层通过第一沟道电连接，所述第二传输源区与所述绿光感光层通过第二沟道电连接，位于条栅旁侧的第三浮置扩散区与所述红光感光层通过第三沟道电连接。
[0006]本专利技术提供的彩色像素单元结构的有益效果在于：本专利技术中的彩色像素单元采用三层堆叠感光层作为不同波长光线的光生电子感应节点，利用两个不同深度的垂直栅分别作为蓝光传输管和绿光传输管，条栅作为最表面的红光传输管，分别读取三个感光层的光生电子数量，最后通过线性校准生成同时曝光的整个彩色图像。该结果相对于拜耳彩色感
光阵列，几乎不占用额外的像素面积，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大，能有效提升像素数量集成度，同时使用感光区内部势阱隔离，改善不同颜色的串扰。
[0007]一种可能的实施方式中，所述红光感光层和绿光感光层之间设有P型隔离区，以及所述绿光感光层和蓝光感光层之间设有P型隔离区。该方案中，P型隔离区主要是通过势垒阻止电子的上下运动，降低上下区域间的不同颜色的光生电子发生串扰。
[0008]一种可能的实施方式中，所述红光感光层临近所述基底的正面，所述蓝光感应层远离所述基底的正面。该方案中，基于不同波长的光产生的光生电子主要深度不一致的特点，按照上述方法布局不同颜色的感光层，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大。
[0009]一种可能的实施方式中，所述蓝光感光层和所述基底的背面之间还设有高K氧化层。该层高K氧化层可以包含氧化铪(HfO)和氧化铝(Al2O3)中的至少一种，并且可具有10埃到100埃厚度，用于在背面硅中保留空穴积累区，一方面高K材质能提高栅氧化层的绝缘性能，另一方面借此改进电隔离并减少白像素。
[0010]一种可能的实施方式中，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层均为N型掺杂区。
[0011]第二方面，本专利技术还提供一种图像传感器，包括如上述第一方面任意一个实施例所述的彩色像素单元结构组成的像素阵列。
[0012]第三方面，本专利技术还提供一种彩色像素单元结构，三个传输管TG的一端均与所述光电二极管PD的阴极连接，所述光电二极管PD的阳极接地，所述光电二极管PD用于接收光线并产生光生电子；所述三个传输管TG的另一端均连接至复位管RT的一端和放大管SF的栅极，所述传输管用于将所述光电二极管产生的光生电子传输到目标节点；所述三个传输管TG分别为红色传输管TG_Red、绿色传输管TG_Green和蓝色传输管TG_Blue；所述复位管RT的另一端和放大管SF的一端均连接电源电压，用于将像素单元复位；放大管SF的另一端连接选通晶体管SEL的一端，所述选通开关管SEL的另一端输出电压，所述放大管SF用于将所述目标节点处的电压放大；所述选通开关管用于选择是否输出所述放大管SF放大的电压。该彩色像素单元结构的有益效果可以参见上述第一方面所述内容。
[0013]第四方面，本专利技术还提供一种彩色像素单元电路的驱动方法，可以应用于上述第一方面所述的像素单元电路，包括：在第零时刻打开复位管RT和三个传输管TG，复位像素单元；在第一时刻关断所述三个传输管TG，且保持所述复位管RT仍处于打开状态，并且感光单元开始曝光；在第三时刻，打开蓝光传输管，当蓝光感应光层内积累的电子传递至第一浮置扩散区FD1之后关闭蓝光传输管，并读取所述蓝光光生电子数量；复位第一浮置扩散区FD1之后，在第四时刻打开绿光传输管，当绿光感光层内积累的电子传递至第二浮置扩散区FD2之后关闭绿光传输管，并读取所述绿光光生电子数量；复位第二浮置扩散区FD2之后，在第五时刻打开红光传输管，当红光感光层内积累的电子传递至第三浮置扩散区FD3之后关闭红光传输管，并读取所述红光光生电子数量；根据所述所述蓝光光生电子数量、所述绿光光生电子数量和红光光生电子数量合成彩色图像。该驱动方法能够读取三个感光层的光生电子数量，最后通过线性校准生成同时曝光的整个彩色图像。该结果相对于拜耳彩色感光阵列，几乎不占用额外的像素面积，可以将像元垂直感光区域的填充率达到最大，能有效提升像素数量集成度，同时使用感光区内部势阱隔离，从而改善不同颜色光发生的串扰。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为现有技术中的一种拜尔阵列；
[0016]图2本专利技术实施例提供的一种拜尔阵列的分色作用示意图；
[0017]图3为本专利技术实施例提供的一种背照式彩色像素的感光单元结构示意图；
[0018]图4为本专利技术实施例提供的一种彩色像素单元结构的平面结构示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种彩色像素单元结构，其特征在于，包括：基底，所述基底包括相对设置的正面和背面；位于所述基底中的感光单元、第一垂直栅、第二垂直栅和条栅，所述第一垂直栅作为蓝光传输管，所述第二垂直栅作为绿光传输管，所述条栅作为红光传输管；所述感光单元包括相互堆叠的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，所述绿光感光层置于所述红光感光层和所述蓝光感光层之间，所述感光单元用于读取光生电子数量；第一垂直栅的深度与蓝光感应层的深度相对应，第二垂直栅的深度与绿光感应层的深度相对应；位于所述第一垂直栅旁侧的第一传输源区和第一浮置扩散区，以及位于所述第二垂直栅旁侧的第二传输源区和第二浮置扩散区，所述第一传输源区与所述蓝光感光层通过第一沟道电连接，所述第二传输源区与所述绿光感光层通过第二沟道电连接，位于条栅旁侧的第三浮置扩散区与所述红光感光层通过第三沟道电连接。2.根据权利要求1所述的彩色像素单元结构，其特征在于，所述红光感光层和绿光感光层之间设有P型隔离区，以及所述绿光感光层和蓝光感光层之间设有P型隔离区。3.根据权利要求1所述的彩色像素单元结构，其特征在于，所述红光感光层临近所述基底的正面，所述蓝光感应层远离所述基底的正面。4.根据权利要求3所述的彩色像素单元结构，其特征在于，所述蓝光感光层和所述基底的背面之间还设有高K氧化层。5.根据权利要求1所述的彩色像素单元结构，其特征在于，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层均为N型掺杂区。6.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的彩色像素单元结构组成的像素阵列。7.一种彩色像素单元电路，其特征在于，包括光电二极管PD、三个传输管TG、复位管RT、放大管SF和选通开关管...

【专利技术属性】
技术研发人员：周阳，庄天涯，姚清志，
申请(专利权)人：上海微阱电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：