高动态图像传感器及其有源像素制造技术

本发明专利技术公开了一种高动态图像传感器及其有源像素，有源像素包括复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管、多个感光元件和列位线，每个感光元件对应连接一个电荷传输晶体管的源极，多个电荷传输晶体管的栅极相互连接在一起，多个电荷传输晶体管漏极相互连接在一起作为漂浮节点。多个感光元件采用的曝光饱和时间不同，压缩了传感器高曝光量时的光电响应曲线，降低了高曝光量像素的灵敏度，因此提高了图像传感器的动态范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高动态图像传感器及其有源像素。
技术介绍
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS (互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。在现有技术中，CMOS图像传感器像素一般都采用的结构如图1所示，采用的是CMOS图像传感器四晶体管的有源像素，在本领域中也称为4T有源像素。4T有源像素的元器件包括光电二极管101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，源跟随晶体管104和行选择晶体管105。光电二极管101接收外界入射的光线,产生光电信号，开启晶体管102,将光电信号传输至漂浮节点FD (Floating Diffusing)后关闭晶体管102，此光电信号被源跟随晶体管104探测到，同时开启行选择晶体管105，通过列位线106将信号读出。其中，在光电二极管101中产生的光电信号量与入射光照量成正比，则晶体管104在漂浮节点FD处所探测到的信号也与光照量成正比关系。该类图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。线性传感器所探测到的光照量范围小，特别是高照明环境下无法辨认出实物信息，不能够采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号，在业内称为动态范围小，从而降低了传感器的输出图像品质。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种传感器输出图像的品质高的高动态图像传感器及其有源像素。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的本专利技术的有源像素，包括复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，还包括2个或者2个以上置于半导体基体中的感光元件,每个感光元件对应连接一个电荷传输晶体管的源极，多个电荷传输晶体管的栅极相互连接在一起，多个电荷传输晶体管漏极相互连接在一起作为漂浮节点。本专利技术的高动态图像传感器，包括像素矩阵阵列，所述像素矩阵阵列包括在垂直和水平方向上以矩阵方式排列的若干上述的有源像素。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的高动态图像传感器及其有源像素，由于采用了多个感光元件的像素，与弱光照环境比较，在强光照环境下，压缩了传感器高曝光量时的光电响应曲线，降低了高曝光量像素的灵敏度，因此提高了图像传感器的动态范围。附图说明图1是现有技术的CMOS图像传感器的4晶体管(4T)有源像素的示意图；图2是本专利技术的有源像素的结构示意图；图3是图2中有源像素工作时的光电相应曲线示意图；图4是采用本专利技术高动态图像传感器的结构示意图。具体实施例方式下面将对本专利技术实施例作进一步地详细描述。本专利技术的有源像素，其较佳的具体实施方式是包括复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，还包括2个或者2个以上置于半导体基体中的感光兀件，每个感光兀件对应连接一个电荷传输晶体管的源极，多个电荷传输晶体管的栅极相互连接在一起，多个电荷传输晶体管漏极相互连接在一起作为漂浮节点。多个感光兀件中，至少一个感光兀件的上方覆盖有金属层，不同感光兀件上方的金属层覆盖面积不同。多个感光元件的面积大小相同或不相同。所述感光元件有四个，第一感光元件201的上方不覆盖金属层，第二感光元件202上方覆盖1/2感光元件面积的金属层，第三感光元件203上方覆盖3/4感光元件面积的金属层，第四感光元件204上方覆盖7/8感光元件面积的金属层。所述感光元件包括光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。`本专利技术的高动态图像传感器，其较佳的具体实施方式是包括像素矩阵阵列，所述像素矩阵阵列包括在垂直和水平方向上以矩阵方式排列的若干上述的有源像素。该图像传感器还包括像素阵列控制电路、处理电路、记忆元件和输入输出电路，每个部分形成于单独的硅基体上，并集成于一个独立的芯片上。本专利技术为了在CMOS图像传感器中获得高品质的图像，从改善4T像素的光电响应性质入手，使用包含多个感光元件的像素，每个感光元件的曝光饱和时间不同，从而压缩了高照明环境时的光电响应灵敏度曲线，推迟了像素的饱和时间，因此传感器探测到了更多强光照环境下的实物细节信息，提升了传感器输出图像的品质。具体实施例如图2所示，在图1所示的四晶体管像素的基础上加以修改优化，将I个感光元件分解为4个感光元件，同时增加3个电荷传输晶体管，具体包括4个感光元件201 204、相对应4个感光元件的4个电荷传输晶体管205 208、复位晶体管209、源跟随晶体管210、行选择晶体管211、列位线212。4个电荷传输晶体管205 208的栅极端TX和漏极端(漂浮节点)FD分别相互连接在一起；复位晶体管209的漏极端接电源Vdd、源极端与漂浮节点FD相连、栅极端标记为RX ;源跟随晶体管210的漏极端接电源Vdd、源极端与行选择晶体管211的漏极端相接、栅极端与漂浮节点FD相连；行选择晶体管211的源极端与列位线212相连、栅极端标记为SX。第一感光元件201的上方不覆盖金属遮挡光线，第二感光元件202上方覆盖1/2感光元件面积的金属用来遮挡一半的入射光线，第三感光元件203上方覆盖3/4感光元件面积的金属用来遮挡3/4的入射光线，第四感光元件204上方覆盖7/8感光元件面积的金属用来遮挡7/8的入射光线。上述感光元件大小可以相同，也可以不相同，感光元件上方覆盖金属相对感光元件面积的比例也可以是小于I的其它值。具体实施例中，假设上述感光元件201 204的大小相同，像素中4个感光元件上方，相对感光元件面积分别覆盖了不同比例的金属，所以每个感光元件的曝光饱和时间都不相同；4个感光元件的饱和时间顺序是第一感光元件201、第二感光元件202、第三感光元件203、第四感光元件204，像素的光电信号灵敏度在感光元件201饱和前最高，随着感光元件201 204的光电信号逐渐饱和灵敏度也逐渐降低，如图3所示。在图3中，横轴为固定光强环境下的像素曝光时间，像素的曝光时间越长曝光量越高，纵轴为感光元件的信号量，像素的曝光时间越长像素收集到的光电信号量越多；A点表示第一感光元件201在曝光时间T处饱和，B点表示第二感光元件202在曝光时间2T处饱和，C点表示第三感光元件203在曝光时间4T处饱和，D点表示第四感光元件204在曝光时间8T处饱和，并且在D点整个像素光电信号量达到饱和，像素信号饱和量标记为Q。像素的光电信号灵敏度在曝光时间O T段最高，其次T 2T时间段，2T 4T时间段，在4T 8T时间段灵敏度最低；因此，在像素曝光时间长时，即曝光量高时，光电响应曲线被压缩。沿着OA线段向上延长，得到信号饱和量为Q的饱和点E，曲线OE段为现有技术图像传感器的像素光电响应关系的线性部分，经推算验证E点的曝光时间为1. 7T。由此可见，本专利技术的像素饱和时间从现有技术的传统像素饱和时间1. 7T扩展到8T，像素的动态范围提高到了传统像素的4. 7倍。因为像素采集到了曝光时间1. 7T到8T段高曝光量环境下的实物细节信息，所以提升了传感器输出的图像品质。上述有源像素可用于CMOS图像传感器的传感器阵列402，如图4所示，图4具体显示了一种根据本专利技术形成的CMOS图像传感器，包括像素阵列控制电路401，像素矩阵阵列402，以及处理电路、记忆元 件和输入输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有源像素，包括复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，其特征在于，还包括2个或者2个以上置于半导体基体中的感光元件，每个感光元件对应连接一个电荷传输晶体管的源极，多个电荷传输晶体管的栅极相互连接在一起，多个电荷传输晶体管漏极相互连接在一起作为漂浮节点。

【技术特征摘要】
1.一种有源像素，包括复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，其特征在于，还包括2个或者2个以上置于半导体基体中的感光元件,每个感光元件对应连接一个电荷传输晶体管的源极，多个电荷传输晶体管的栅极相互连接在一起，多个电荷传输晶体管漏极相互连接在一起作为漂浮节点。2.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，多个感光元件中，至少一个感光元件的上方覆盖有金属层，不同感光元件上方的金属层覆盖面积不同。3.根据权利要求2所述的有源像素，其特征在于，多个感光元件的面积大小相同或不相同。4.根据权利要求3所述的有源像素，其特征在于，所述感光元件有四个，第一感光元件201的上方不覆盖金属层，第二感光元件202上方...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭同辉，唐冕，陈杰，刘志碧，旷章曲，
申请(专利权)人：北京思比科微电子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：