專利名稱：高動態范圍圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種圖像傳感器，特別是涉及ー種高動態范圍的圖像傳感器。
背景技術：
圖像傳感器是構成數字攝像頭的主要部件之一，被廣泛應用于數碼成像、航空航天以及醫療影像等領域。圖像傳感器根據元件的不同，可分為CXD (Charge CoupledDevice,電荷稱合兀件)和 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體元件)兩大類。CXD圖像傳感器除了大規模應用于數碼相機外，還廣泛應用于攝像機、掃描儀，以及エ業領域等。值得ー提的是，在醫學中為診斷疾病或進行顯微手術等而對人體內部進行的拍攝中，也大量應用了 CCD圖像傳感器及相關設備。在天文攝影與各種夜視設備中，也廣 泛應用到CCD圖像傳感器。CMOS傳感器具有高度集成化、成本低、功耗低。単一工作電壓、局部像素可編程隨即讀取等優點，可適用與數碼相機、PC攝像機、移動通信產品等領域。CXD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器都是采用光電ニ極管收集入射光，并將其轉換為能夠進行圖像處理的電荷。對于這種采用光電ニ極管的圖像傳感器，當沒有入射光時仍然有輸出電流，即“暗電流”，來自光電ニ極管的暗電流可能作為被處理圖像中的噪聲出現，從而減低畫面質量。因此暗電流的大小是表征傳感器性能的重要參數之一。動態范圍是另外ー個重要參數，它表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動態范圍越大，就越能顯示非常暗以及非常亮的圖像，所能表現的圖像層次也就越豐富，所包含的色彩空也越廣。換句話說，動態范圍越大，能同時記錄的暗部細節和亮部細節越豐富。隨著應用的需要，CMOS圖像傳感器的動態范圍有待進ー步提高。一般，攝像場景有較寬的照度范圍(約120dB)，而典型的CMOS有源像素圖像傳感器的動態范圍(約65 75dB)難于滿足寬動態范圍應用的需要，因而，近年來，如何提高CMOS圖像傳感器的動態范圍成為研究的熱點。為了得到較高的動態范圍，一般集中在對浮動擴散區容量的提高上或光學傳感區阱容量的提高上，但對兩者同時進行改進以提高動態范圍的方法比較少見。本發明從提高光學傳感區容量和浮動擴散區容量兩方面同時入手，可以很明顯的提高圖像傳感器的動態范圍，而又不增加光學傳感區容量和浮動擴散區的面積，保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。

發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一高動態范圍的圖像傳感器，用于解決現有技術中提聞動態范圍エ藝復雜以及暗電流大的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供的高動態范圍圖像傳感器，至少包括ー襯底，形成于所述襯底上的光學傳感區、浮動擴散區、連接于所述光學傳感區與浮動擴散區之間的第一轉移晶體管，所述圖像傳感器還包括
第一電容，與所述光學傳感區并聯；在所述光學傳感區曝光時，所述第一電容存儲部分該光學傳感區產生的光生載流子；第二電容，與所述浮動擴散區并聯；在從所述光學傳感區向所述浮動擴散區轉移電荷時，所述第二電容存儲部分轉移的電荷。 可選地，所述光學傳感區為PN結感光二極管、PIN感光二極管或光門。可選地，所述圖像傳感器還包括源跟隨晶體管、復位晶體管和行選擇晶體管；所述源跟隨晶體管的柵極與所述浮動擴散區、第二電容以及復位晶體管的源極相連接；所述源跟隨晶體管及復位晶體管的漏極連接電源電壓Vd ;所述行選擇晶體管的漏極連接所述源跟隨晶體管的源極，該行選擇晶體管的源極作為信號輸出端。可選地，所述圖像傳感器還包括第二轉移晶體管，連接于所述第一電容和所述光學傳感區之間。 可選地，所述圖像傳感器還包括一時序控制單元，分別向所述第二轉移晶體管的柵極、復位晶體管的柵極、第一轉移晶體管的柵極以及行選擇晶體管的柵極輸出時序控制信號，控制第一轉移晶體管、第二轉移晶體管、行選擇晶體管以及復位晶體管選通或關閉。可選地，所述圖像傳感器還包括與所述第一電容、第二電容并聯的一個或多個電容。可選地，所述圖像傳感器具有三種工作模式第一工作模式下，所述第二轉移晶體管始終關閉，處于截止工作狀態；第二工作模式下，所述第二轉移晶體管始終打開，處于導通工作狀態；第三工作模式下，所述光學傳感區曝光過程中，所述第二轉移晶體管打開，而當所述第一傳轉移晶體管打開進行像素讀出時，該第二轉移晶體管關閉。可選地，所述圖像傳感器還包括一模式選擇單元，所述模式選擇單元為三路控制單元，根據工作環境擇一選擇所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由時序控制單元產生相應的控制時序。可選地，所述圖像傳感器還包括第三轉移晶體管，連接于所述浮動擴散區和所述第二電容之間。如上所述，本發明提供的高動態范圍的圖像傳感器，具有以下有益效果該圖像傳感器至少包括光學傳感區、與該光學傳感區連并聯的第一電容、浮動擴散區、以及與該浮動擴散區并聯的第二電容。本發明通過分別增加與所述光學傳感區和浮動擴散區并聯的兩個電容，等效提高了該光學傳感區和浮動擴散區的阱容量，從而在不增加所述光學傳感區和浮動擴散區面積的基礎上，明顯地提高圖像傳感器的動態范圍，同時又保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。此外，該圖像傳感器可根據設定選擇適當的工作模式，在提高動態范圍的同時，降低了弱光及普通光照環境下暗電流的影響，在多種工作環境下均可高質量成像。


圖I顯示為本發明提供的一種高動態范圍圖像傳感器的結構示意圖。圖2顯示為本發明提供的另一種高動態范圍圖像傳感器的結構示意圖。元件標號說明I襯底
10光學傳感區11浮動擴散區
具體實施例方式以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。請參閱圖I。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所掲示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所掲示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或 調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。實施例如圖I所示，本發明提供ー種高動態范圍的圖像傳感器，至少包括ー襯底1，形成于所述襯底上的光學傳感區10、浮動擴散區11、第一轉移晶體管Tl、第二轉移晶體管T2、復位晶體管T3、第一電容Cl、第二電容C2、源跟隨晶體管T4、以及行選擇晶體管T5 ;進ー步地，所述圖像傳感器還包括一時序控制單元(未示出)。所述襯底I可以為單晶或非晶的半導體材料，或絕緣體上硅(SOI )，本實施例中暫選為單晶硅襯底，但并不限于此，在其它實施例中亦可選為鍺、硅鍺、或神化鎵等III - V族化合物。所述光學傳感區10用于將光信號轉變為電信號，即在光照射下產生光生載流子電子-空穴對，并收集所述電子或空穴。本實施例中所述光學傳感區10為PN結光電ニ極管，但并不限于此，在其它實施例中亦可為PIN光電ニ極管或光柵等光敏半導體器件。所述浮動擴散區11用于接收從所述光學傳感區10傳輸過來的光生載流子，并作為像素輸出區；所述第一轉移晶體管Tl連接于所述光學傳感區10和浮動擴散區11之間，用于控制所述光學傳感區10收集的光生載流子傳輸到所述浮動擴散區11 ；所述第一電容Cl與所述光學傳感區10并聯，用于在所述光學傳感區10曝光時存儲部分該光學傳感區10產生的光生載流子。在強光條件下，由于與該光學傳感區10并聯的第一電容Cl的存在，所述光學傳感區10就不會很快的飽和，該光學傳感區10與其并聯的所述第一電容Cl所儲存的光生載流子總量遠大于只有一個所述光學傳感區10時所能儲存的光生載流子量，因此相當于增大了所述光學傳感區10的阱容量；所述第二電容C2與所述浮動擴散區11并聯，用于在從所述光學傳感區10向所述浮動擴散區11轉移光生載流子時存儲部分轉移電荷。同樣的道理，在所述浮動擴散區11連接ー個電容，在強光條件下曝光后進行電荷轉移吋，由于有第二電容C2的存在，所述浮動擴散區11就不會很快飽和，該浮動擴散區11與其并聯的第二電容C2所儲存的電荷總量就遠遠大于只有一個所述浮動擴散區11所能儲存的載流子量，因此，相當于增大了所述浮動擴散區11的阱容量。需要說明的是，為了進ー步増加所述光學傳感區10和浮動擴散區11的相對容量，還可以分別在所述第一電容Cl和第一電容C2上并聯ー個或多個電容。
所述第二轉移晶體管T2連接于所述第一電容Cl和所述光學傳感區11之間；所述第一轉移晶體管Tl連接于所述光學傳感區10和浮動擴散區11之間，因此可知所述第一轉移晶體管Tl和第二轉移晶體管T2具有ー個公共的有源端，當所述第一轉移晶體管Tl和第ニ轉移晶體管T2同時打開時，以使存儲在所述第一電容Cl中的光生載流子與光學傳感區10的光生載流子一同經由第一轉移晶體管Tl轉移到所述浮動擴散區11及與之并聯的第ニ電容C2中。所述時序控制單元(未示出)通過控制所述第一轉移晶體管Tl和第二轉移晶體管T2之間相配合的開啟與關閉，所述圖像傳感器相應具有三種工作模式第一工作模式下，第二傳輸晶體管T2始終關閉，處于截止工作狀態，該模式應用于弱光或普通光強環境中；第二工作模式下，第二傳輸晶體管T2始終打開，處于導通工作狀態，該模式應用于強光環境中；第三工作模式下，光學傳感區曝光過程中，第二傳輸晶體管T2打開，而當第一傳輸晶體管Tl打開時，第二傳輸晶體管T2關閉，該模式應用于超強光強環境下。此外，所述圖像傳感器還進一歩包括一模式選擇單元(未示出)，所述模式選擇單元為三路控制單元，根據工作環境擇ー選擇所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作
模式，并由所述時序控制單元產生相應的控制時序。所述源跟隨晶體管T4的柵極與所述浮動擴散區11、第二電容C2以及復位晶體管T3的源極連接，該源跟隨晶體管T4和復位晶體管T3的漏極均連接至系統電壓源Vd ;所述源跟隨晶體管T4的作用是用于將轉移至浮動擴散區11及第ニ電容C2的光生載流子轉化為信號電平，同時實現對信號的放大與緩沖，改善成像系統的噪聲問題。需要說明的是，本發明中的系統電壓源Vd是指在對圖像傳感器像素的一般半導體電路進行正常操作的電源電壓。所述復位晶體管T3的作用為當柵極施加復位信號Reset吋，將所述浮動擴散區11及第ニ電容C2復位,此時,第一傳輸晶體管Tl關閉。所述行選擇晶體管T5的漏極連接所述源跟隨晶體管T4的源扱，該行選擇晶體管T5源極作為輸出端連接列總線(未示出);所述時序控制單元(未示出)分別向所述第一轉移晶體管Tl的柵極、第二轉移晶體管T2的柵極、復位晶體管T3的柵極、以及行選擇晶體管T5的柵極發出時序控制信號，控制所述第一轉移晶體管Tl、第二轉移晶體管T2、行選擇晶體管T5以及復位晶體管T3選通或關閉。為了進一步闡述本發明高動態圖像傳感器的功效，下面對該圖像傳感器在三種エ作模式下的工作方法進行說明。第一種工作模式在普通光強環境下，第二傳輸晶體管T2始終關閉，處于截止エ作狀態。首先，將所述圖像傳感器的浮動擴散區11及與之并聯的第二電容C2復位至電源電壓Vd，關閉第一轉移晶體管Tl和第二轉移晶體管T2 ;然后對所述光學傳感區進行曝光，在該光學傳感區產生光生載流子，并同時打開第一轉晶體管Tl，將所述光學傳感區10產生的光生載流子轉移至所述浮動擴散區11和第二電容C2，轉移電荷經由源跟隨晶體管T4轉變為電壓信號后，由行選通晶體管T5輸出。該工作模式下，可視作第一電容Cl不存在，避免了弱光及普通光照環境下，由于光學傳感區10并聯的第一電容Cl所引入的暗電流及噪聲，可進ー步保障成像質量，提高圖像傳感器信噪比。第二種工作模式在強光環境下，第二傳輸晶體管T2始終打開，處于導通工作狀態。首先，將所述圖像傳感器的浮動擴散區11及與之并聯的第二電容C2復位至電源電壓Vd，關閉第一轉移晶體管Tl，打開第二轉移晶體管T2 ;然后對所述光學傳感區10進行曝光，在該光學傳感區10產生光生載流子，此時一部分光生載流子轉移至與所述光學傳感區10連并聯的第一電容Cl中；然后打開第一轉移晶體管Tl，將所述第一電容Cl和光學傳感區10中的光生載流子轉移至浮動擴散區11及第二電容C2中，轉移電荷經由源跟隨晶體管T4轉變為電壓信號后，由行選通晶體管T5輸出。該工作模式下，通過第二傳輸晶體管T2與光學傳感區10并聯的第一電容Cl提高了光學傳感區10的阱容量，可保證強光環境下，光學傳感區10不會處于飽和狀態，從而避免了圖像的失真，提高了該圖像傳感器的動態范圍，進一步保障了其在強光環境下的成像 質量。第三工作模式在超強光強環境下，光學傳感區10曝光過程中，第二傳輸晶體管T2打開，而當第一傳輸晶體管Tl打開時，第二傳輸晶體管T2關閉。首先，將所述圖像傳感器的浮動擴散區11及與之并聯的第二電容C2復位至電源電壓Vd，關閉第一轉移晶體管Tl，打開第二轉移晶體管T2 ;然后對所述光學傳感區10進行曝光，在該光學傳感區10產生光生載流子，此時一部分光生載流子流入與所述光學傳感區10連并聯的第一電容Cl中；然后打開第一轉移晶體管Tl，并同時關閉第二轉移晶體管T2，只將光學傳感區10中的光生載流子轉移至浮動擴散區11及第二電容C2中，轉移電荷經由源跟隨晶體管T4轉變為電壓信號后，由行選通晶體管T5輸出。該工作模式下，存儲在第二電容C2中的部分光生載流子并不讀出，通過讀出部分光生載流子的方式，避免了在超強光環境下像素讀出過程中浮動擴散區11的飽和，進一步保障成像質量。需要說明的是，所述圖像傳感器工作第三工作模式時，所述光學傳感區10在超強光下曝光時會飽和，一部分電荷載流子存儲在所述第一電容Cl中并沒轉移至所述浮動擴散區11中，這樣會造成圖像失真，因此在后續圖像處理電路中會對輸出信號進行補償和處理，還原成像結果，該技術為本領域技術人員的公知常識，在此不再贅述。此外，本實施例中，為進一步提高光學傳感區10及浮動擴散區11的阱容量，第一電容Cl及第二電容C2還可有一個或多個電容與之并聯。進一步地，如圖2所示，該圖像傳感器中，還可包括連接在浮動擴散區11和第二電容C2之間的第三傳輸晶體管T6，其作用與第一傳輸晶體管Tl相同，用于控制浮動擴散區11和與之并聯的電容之間的連接狀態，可選擇只在需要的工作模式下連接，在弱光及普通光照環境中斷開，從而進一步減小由于電容器件引入帶來的噪聲，保障成像質量，提高信噪比。綜上所述，本發明提供的高動態范圍圖像傳感器，包括光學傳感區、與該光學傳感區連并聯的第一電容、浮動擴散區、以及與該浮動擴散區并聯的第二電容。本發明通過分別增加與所述光學傳感區和浮動擴散區并聯的電容，等效提高了該光學傳感區和浮動擴散區的阱容量，從而在不增加所述光學傳感區和浮動擴散區面積的基礎上，明顯地提高圖像傳感器的動態范圍，同時又保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。此外，該圖像傳感器可根據設定選擇適當的工作模式，在提高動態范圍的同時，降低了弱光及普通光照環境下暗電流的影響，在多種工作環境下均可高質量成像。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。 上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所掲示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權 利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種高動態范圍圖像傳感器，至少包括一襯底，形成于所述襯底上的光學傳感區、浮動擴散區、連接于所述光學傳感區與浮動擴散區之間的第一轉移晶體管，其特征在于，所述圖像傳感器還包括 第一電容，與所述光學傳感區并聯；在所述光學傳感區曝光時，所述第一電容存儲該光學傳感區產生的部分光生載流子； 第二電容，與所述浮動擴散區并聯；在從所述光學傳感區向所述浮動擴散區轉移電荷時，所述第二電容存儲部分轉移的電荷。
2.根據權利要求I所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述光學傳感區為PN結感光二極管、PIN感光二極管或光門。
3.根據權利要求I所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括第二轉移晶體管，連接于所述第一電容和所述光學傳感區之間。
4.根據權利要求3所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括源跟隨晶體管、復位晶體管和行選擇晶體管；所述源跟隨晶體管的柵極與所述浮動擴散區、第二電容以及復位晶體管的源極相連接；所述源跟隨晶體管及復位晶體管的漏極連接電源電壓Vd ;所述行選擇晶體管的漏極連接所述源跟隨晶體管的源極，該行選擇晶體管的源極作為信號輸出端。
5.根據權利要求4所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括一時序控制單元，分別向所述第二轉移晶體管的柵極、復位晶體管的柵極、第一轉移晶體管的柵極以及行選擇晶體管的柵極輸出時序控制信號，控制第一轉移晶體管、第二轉移晶體管、行選擇晶體管以及復位晶體管選通或關閉。
6.根據權利要求3所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括第三轉移晶體管，連接于所述第二電容和所述浮動擴散區之間。
7.根據權利要求3所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括分別與第一電容、第二電容并聯的一個或多個電容。
8.根據權利要求3 7任一項所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器具有三種工作模式第一工作模式下，所述第二轉移晶體管始終關閉，處于截止工作狀態；第二工作模式下，所述第二轉移晶體管始終打開，處于導通工作狀態；第三工作模式下，所述光學傳感區曝光過程中，所述第二轉移晶體管打開，而當所述第一傳轉移晶體管打開進行像素讀出時，該第二轉移晶體管關閉。
9.根據權利要求8所述的高動態范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括模式選擇單元，所述模式選擇單元為三路控制單元，根據工作環境擇一選擇所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由時序控制單元產生相應的控制時序。
全文摘要
本發明提供一種高動態范圍圖像傳感器，至少包括光學傳感區、與該光學傳感區并聯的第一電容、浮動擴散區、以及與該浮動擴散區并聯的第二電容。本發明通過分別增加與所述光學傳感區和浮動擴散區并聯的電容，等效提高了該光學傳感區和浮動擴散區的阱容量，從而在不增加所述光學傳感區和浮動擴散區面積的基礎上，明顯地提高圖像傳感器的動態范圍，同時又保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。此外，該圖像傳感器還包括控制第一電容連接關系的第二轉移晶體管和模式選擇單元，可根據設定選擇適當的工作模式，在提高動態范圍的同時，降低了弱光環境下暗電流的影響，在多種工作環境下均可高質量成像。
文檔編號H04N5/355GK102856340SQ20121036285
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者苗田樂, 方娜, 田犁, 汪輝, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院