一种全局快门图像传感器像素单元及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种全局快门图像传感器像素单元及工作方法。该像素单元包括感光收集存储区和信号读取区，感光收集存储区包括衬底感光收集区、第一级电容器、信号存储区、第二级电容器和全局快门开关；全局快门开关包括快门第一端口、快门第二端口和快门第三端口，快门第一端口与信号存储区相连；感光收集存储区还设有对外电压接口，包括像素栅极、像素衬底、快门驱动和快门电源，像素栅极与第二级电容器的第二端口相连，像素衬底与衬底感光收集区相连，快门驱动与快门第二端口相连，快门电源与快门第三端口相连；信号读取区包括读取场效应管，用于输出信号存储区所存储信号。本发明专利技术只需要通过两个晶体管的精简结构可实现图像传感器全局曝光的功能。全局曝光的功能。全局曝光的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种全局快门图像传感器像素单元及工作方法


[0001]本专利技术涉及图像传感器领域，具体来说涉及一种小尺寸全局快门图像传感器像素单元及工作方法。

技术介绍

[0002]CMOS图像传感器(CIS)一直在不断发展，目前已广泛应用于智能手机成像、安全与监控、生物识别、汽车和深度传感和测距等诸多领域。一般而言CMOS图像传感器常采用滚动曝光(Rolling Shutter)和全局曝光(Global Shutter)两种曝光方式，当对高速运动的物体成像时，通常需要全局曝光来避免图像失真。而相对滚动曝光，全局曝光除了需要时序上的调整还需要器件级全局快门结构，通常最简单的全局快门像素是在经典的4T像素结构基础上再增加一个场效应管作为快门结构(5T)，如图11所示，其工作主要包括以下几个过程：首先，在复位管(RST)对像素进行复位后，光生电荷被信号收集二极管(PD)收集；其次电荷信号通过转移管(TX)从信号收集二极管转移至存储节点(FD)；接下来转移管关断保持存储节点信号量不变；然后快门场效应管(SH)导通，防止信号收集二极管所收集信号溢出影响存储节点信号量；最后通过行选通管(Row)将选通像素中存储节点电压信号通过源跟随器(SF)逐行读取出来。
[0003]在对图像分辨率要求较高的应用场景中，像素尺寸的缩小成为必然趋势，然而由于CMOS全局快门图像传感器单一像元包括较多晶体管，即使采用像素间晶体管共用的方式，在保证信号收集二极管与存储节点阱深容量充足的情况下，已很难将像素尺寸进一步缩小。目前，随着背照式(BSI)技术的应用，CMOS全局快门图像传感器像元尺寸可缩小至2.2um(Sergey Velichko,“Overview of CMOS Global Shutter Pixels,”IEEE Transactions On Electron Devices,2022,69(6):2806
‑
2814)，但距离亚微米还存在的距离。
[0004]因此全局快门图像传感器像素尺寸的进一步缩小依赖于更精简像素结构的设计，同时像素还需具备高填充因子以及较大的收集节点与存储节点电容，以保证量子效率和满阱容量的要求，进而在像素尺寸缩小的同时不影响其成像质量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是：针对当前全局快门图像传感器像素尺寸缩小所遇到的问题，提出一种新型的全局快门图像传感器像素单元结构，通过只需要两个晶体管(2T)的精简结构实现图像传感器全局曝光的功能。
[0006]为达上述目的，本专利技术像素单元采用的技术方案如下：
[0007]一种全局快门图像传感器像素单元，包括感光收集存储区和信号读取区，所述感光收集存储区包括衬底感光收集区、第一级电容器、信号存储区、第二级电容器和全局快门开关，所述衬底感光收集区与所述第一级电容器的第一端口相连；所述第一级电容器的第二端口与所述第二级电容器的第一端口相连，该相连区域形成所述信号存储区；所述全局
快门开关包括快门第一端口、快门第二端口和快门第三端口，其中快门第二端口为使能端口，用于控制所述快门第一端口与所述快门第三端口的导通，所述快门第一端口与所述信号存储区相连；所述感光收集存储区还设有对外电压接口，包括像素栅极、像素衬底、快门驱动和快门电源，其中所述像素栅极与所述第二级电容器的第二端口相连，所述像素衬底与所述衬底感光收集区相连，所述快门驱动与所述快门第二端口相连，所述快门电源与所述快门第三端口相连；并且，所述衬底感光收集区用于感应光信号与收集光生电荷，所述全局快门开关用于控制所述信号存储区信号量与衬底感光收集区所收集光生电荷量的耦合；并且，所述信号读取区包括一个读取场效应管，用于输出所述信号存储区所存储信号；所述读取场效应管的衬底的掺杂类型与其源极和漏极的掺杂类型相反，所述读取场效应管的栅极与所述信号存储区相连。
[0008]进一步地，所述信号存储区在存储信号时表现为导体。
[0009]进一步地，所述读取场效应管的衬底与所述衬底感光收集区相连，且两者掺杂类型相同。
[0010]进一步地，所述快门电源与所述读取场效应管的漏极相连。
[0011]进一步地，所述全局快门开关为一个场效应管，其栅极作为所述快门第二端口，其源极和漏极中的一极与所述信号存储区相连作为所述快门第一端口，另一极作为所述快门第三端口；或者所述全局快门开关为一个双极性晶体管，其基区作为所述快门第二端口，其集电区与所述信号存储区相连作为所述快门第一端口，其发射区作为所述快门第三端口。
[0012]进一步地，所述衬底感光收集区上依次设有底层绝缘介质层、底层栅、顶层绝缘介质层和顶层栅；所述底层绝缘介质层、底层栅和顶层绝缘介质层各自为一整体结构，所述顶层栅由互不相连的第一顶层栅与第二顶层栅构成；所述底层绝缘介质层构成所述第一级电容器，所述底层绝缘介质层的下侧作为所述第一级电容器的第一端口，其上侧作为所述第一级电容器的第二端口；所述顶层绝缘介质层构成第二级电容器，所述顶层绝缘介质层的下侧作为所述第二级电容器的第一端口，其上侧作为所述第二级电容器的第二端口与所述第一顶层栅相连；所述信号存储区位于底层栅内，全局快门开关为一场效应管，其栅极由所述第二顶层栅构成，其源极、漏极和衬底均位于底层栅内。
[0013]进一步地，所述衬底感光收集区上依次设有底层绝缘介质层、底层栅、顶层绝缘介质层和顶层栅；所述底层绝缘介质层、底层栅、顶层绝缘介质层和顶层栅各自为一整体结构；所述底层绝缘介质层构成所述第一级电容器，所述底层绝缘介质层的下侧作为所述第一级电容器的第一端口，其上侧作为所述第一级电容器的第二端口；所述顶层绝缘介质层构成第二级电容器，所述顶层绝缘介质层的下侧作为所述第二级电容器的第一端口，其上侧作为所述第二级电容器的第二端口与所述顶层栅相连；所述信号存储区位于底层栅内，全局快门开关为一双极性晶体管，其基区、发射区和集电区均位于底层栅内。
[0014]本专利技术还提供一种全局快门图像传感器像素单元的工作方法，包括如下步骤：
[0015](1)衬底感光收集区的复位：通过在所述像素栅极与所述像素衬底间施加适当的电压差，排走原先位于所述衬底感光收集区中的电荷；
[0016](2)光生电荷的产生与收集：通过改变所述像素栅极与所述像素衬底间的电压差，使得所述衬底感光收集区与所述第一级电容器相连的区域形成一光生电荷收集阱，在光照作用下，衬底感光收集区激发出光生电荷，光生电荷通过扩散作用进入该收集阱并被收集；
[0017](3)全局快门的开启：在光生电荷收集前或收集过程中，通过所述快门第二端口加压，使得所述全局快门开关导通，所述快门电源将外部电压传递给所述信号存储区，所述衬底感光收集区收集的光生电荷量通过第一级电容器与所述信号存储区所存储信号量耦合，即所述信号存储区所存储信号量与衬底感光收集区所收集光生电荷量一一对应；
[0018](4)全局快门的关闭：通过所述快门第二端口加压，使得所述全局快门开关关断，所述信号存储区成为一浮空节点，所存储的信号量不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全局快门图像传感器像素单元，包括感光收集存储区和信号读取区，其特征在于，所述感光收集存储区包括衬底感光收集区、第一级电容器、信号存储区、第二级电容器和全局快门开关，所述衬底感光收集区与所述第一级电容器的第一端口相连；所述第一级电容器的第二端口与所述第二级电容器的第一端口相连，该相连区域形成所述信号存储区；所述全局快门开关包括快门第一端口、快门第二端口和快门第三端口，其中快门第二端口为使能端口，用于控制所述快门第一端口与所述快门第三端口的导通，所述快门第一端口与所述信号存储区相连；所述感光收集存储区还设有对外电压接口，包括像素栅极、像素衬底、快门驱动和快门电源，其中所述像素栅极与所述第二级电容器的第二端口相连，所述像素衬底与所述衬底感光收集区相连，所述快门驱动与所述快门第二端口相连，所述快门电源与所述快门第三端口相连；并且，所述衬底感光收集区用于感应光信号与收集光生电荷，所述全局快门开关用于控制所述信号存储区信号量与衬底感光收集区所收集光生电荷量的耦合；并且，所述信号读取区包括一个读取场效应管，用于输出所述信号存储区所存储信号；所述读取场效应管的衬底掺杂类型与其源极和漏极的掺杂类型相反，所述读取场效应管的栅极与所述信号存储区相连。2.根据权利要求1所述的一种全局快门图像传感器像素单元，其特征在于，所述信号存储区在存储信号时表现为导体。3.根据权利要求1所述的一种全局快门图像传感器像素单元，其特征在于，所述读取场效应管的衬底与所述衬底感光收集区相连，且两者掺杂类型相同。4.根据权利要求1所述的一种全局快门图像传感器像素单元，其特征在于，所述快门电源与所述读取场效应管的漏极相连。5.根据权利要求1所述的一种全局快门图像传感器像素单元，其特征在于，所述全局快门开关为一个场效应管，其栅极作为所述快门第二端口，其源极和漏极中的一极与所述信号存储区相连作为所述快门第一端口，另一极作为所述快门第三端口；或者所述全局快门开关为一个双极性晶体管，其基区作为所述快门第二端口，其集电区与所述信号存储区相连作为所述快门第一端口，其发射区作为所述快门第三端口。6.根据权利要求5所述的一种全局快门图像传感器像素单元，其特征在于，所述衬底感光收集区上依次设有底层绝缘介质层、底层栅、顶层绝缘介质层和顶层栅；所述底层绝缘介质层、底层栅和顶层绝缘介质层各自为一整体结构，所述顶层栅由互不相连的第一顶层栅与第二顶层栅构成；所述底层绝缘介质层构成所述第一级电容器，所述底层绝缘介质层的下侧作为所述第一级电容器的第一端口，其上侧作为所述第一级电容器的第二端口；所述顶层绝缘介质层构成第二级电容器，所述顶层绝缘介质层的下侧作为所述第二级电容器的第一端口，其上侧作为所述第二级电容器的第二端口与所述第一顶层栅相连；所述信号存储区位于底层栅内，全局快门开关为一场效应管，其栅极由所述第二顶层栅构成，其源极、漏极和衬底均位于底层栅内。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫锋，常峻淞，沈凡翔，王子豪，陈辉，胡心怡，刘泉，朱千琳，马浩文，卜晓峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：