專利名稱：基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體圖像感測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，圖像獲取和處理技術(shù)也得到了相應(yīng)的提高，圖像傳感器作為圖像處理的基本設(shè)備，正日益廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。以半導(dǎo)體技術(shù)和工藝為基礎(chǔ)的電子圖像傳感器主要包括電荷耦合器件(CXD)和CMOS圖像傳感器(CIS)兩種。其中CIS由于采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，易于與電路進(jìn)行集成制造，具有低功耗、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其在專業(yè)攝像等領(lǐng)域開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。 動(dòng)態(tài)范圍(DR)是CIS的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用于標(biāo)定圖像傳感器所能處理的光強(qiáng)范圍，該范圍用分貝(dB)做單位。提高動(dòng)態(tài)范圍一方面需要降低CIS的最小可探測(cè)光強(qiáng)，SP提高弱光下像素信噪比。另一方面需提高像素的最大可探測(cè)光強(qiáng)，其主要受像素積分電容大小(即阱容量)影響。傳統(tǒng)CIS像素電路使用光電探測(cè)器勢(shì)阱容量有限，當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度，最大輸出信號(hào)出現(xiàn)飽和；而當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，光電探測(cè)器產(chǎn)生的光生電流過(guò)小而容易被環(huán)境噪聲所湮滅。所以，一般CIS的動(dòng)態(tài)范圍較低，尚達(dá)不到自然界光強(qiáng)的范圍。特別CMOS圖像傳感器讀出電路噪聲大，更限制了其動(dòng)態(tài)范圍的提高。目前典型的CIS動(dòng)態(tài)范圍在70dB左右，遠(yuǎn)小于自然界的光強(qiáng)范圍，更無(wú)法滿足某些如高能物理實(shí)驗(yàn)等特殊環(huán)境的需求，因此，研制高動(dòng)態(tài)范圍的CIS成為迫切需求。典型CIS工作在線性模式，即積分模式，其基本原理是每個(gè)像素都有一個(gè)獨(dú)立的積分電容(Cph),在積分時(shí)間內(nèi)(Tint)通過(guò)光電二極管(Dp)放電，因此每個(gè)像素的輸出信號(hào)與所受光強(qiáng)呈反比。該技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在低光照條件下性能良好，具有較低的噪聲和良好的線性度。但由于此種結(jié)構(gòu)的Cph是由Dp的結(jié)電容和跟隨器的MOS柵電容所組成，其容量受限，導(dǎo)致在強(qiáng)光條件下極易飽和。而為了提高CMOS圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍，目前常用以下幾種技術(shù)(I)提高勢(shì)阱容量，即增大積分電容cph。主要通過(guò)增加DP周邊的寄生電容或其他柵電容結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)，但此種方式會(huì)降低像素的填充比，降低弱光下的響應(yīng)特性。(2)多次采樣技術(shù)，即通過(guò)多次曝光對(duì)同一場(chǎng)景進(jìn)行采樣，此種方式需要較為復(fù)雜的外部讀取和存儲(chǔ)電路，且不適合高速攝影場(chǎng)景。(3)多探測(cè)器像素，即在一個(gè)像素單元中集成兩個(gè)光電二極管，一個(gè)用于弱光條件，一個(gè)用于強(qiáng)光條件，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且沒(méi)有從根本上解決勢(shì)阱容量問(wèn)題，增加DR的能力有限。(4)局部曝光技術(shù)，即獨(dú)立控制每一個(gè)像素的曝光時(shí)間，即使亮區(qū)像素積分時(shí)間短，暗區(qū)像素積分時(shí)間長(zhǎng)。但是這種技術(shù)要在像素中增加大量晶體管，填充因子較低，也需要復(fù)雜的后處理電路來(lái)重組圖像。(5)對(duì)數(shù)響應(yīng)技術(shù)。對(duì)數(shù)模式CIS工作在連續(xù)方式，像素中DP連接一個(gè)柵漏極短接的MOS管做負(fù)載。當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)域時(shí)具有近似對(duì)數(shù)電流電壓關(guān)系，使得輸入信號(hào)與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比，從而擴(kuò)展DR。但由于亞閾值MOS管性能受工藝影響很大，導(dǎo)致CIS固定模式噪聲(FPN)很大；同時(shí)，這種偏置模式弱光下響應(yīng)特性不好，且響應(yīng)速度慢，帶來(lái)圖像拖影、失真等；并且功耗也較高。(6)線性對(duì)數(shù)復(fù)合模式，這種技術(shù)結(jié)合了線性模式和對(duì)數(shù)模式的優(yōu)點(diǎn)，可以在低中等光強(qiáng)條件下得到信噪比較高的圖像，同時(shí)在強(qiáng)光條件下能保持較高的動(dòng)態(tài)范圍。該方法的缺點(diǎn)是需要非常復(fù)雜的電路來(lái)進(jìn)行線性和對(duì)數(shù)模式的判別和轉(zhuǎn)換。此外還有其他較為復(fù)雜的方式來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍，但目前為止還沒(méi)有一種理想的方法出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，和標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)CMOS工藝完全兼容。目的在于在像素單元結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)姆绞?，增?qiáng)強(qiáng)光下的性能。而與此同時(shí)，保持弱光下的圖像傳感器的低噪聲性能，從而獲得超寬的動(dòng)·態(tài)范圍。如圖I所示，本發(fā)明所述的圖像傳感器由光電轉(zhuǎn)換模塊I、控制和讀出光電轉(zhuǎn)換模塊I數(shù)據(jù)的上讀出處理模塊21與下讀出處理模塊22、行解碼模塊3和偏置信號(hào)模塊4組成。各模塊在圖像傳感器外部輸入的一組控制信號(hào)C (控制信號(hào)C來(lái)自外部主機(jī))的控制下工作；控制信號(hào)C中包括控制上讀出處理模塊21讀取和輸出的一組控制信號(hào)Cl，控制下讀出處理模塊22讀取和輸出的一組控制信號(hào)C2，控制行解碼模塊3進(jìn)行行選解碼的一組控制信號(hào)C3，以及傳感器工作時(shí)鐘(一般為IO6Hz至IO9Hz),上述信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)。下讀出處理模塊21與上讀出處理模塊22分別讀出光電轉(zhuǎn)換模塊I的像素陣列中奇數(shù)列信號(hào)SI和偶數(shù)列信號(hào)S2。光電轉(zhuǎn)換模塊I由一個(gè)MXN陣列的像素單元組成(M、N均為正偶數(shù))，每一個(gè)像素單元包括一個(gè)電荷補(bǔ)償型光電二級(jí)管和其驅(qū)動(dòng)電路，在外部光信號(hào)的作用下，電荷補(bǔ)償型光電二級(jí)管產(chǎn)生隨光強(qiáng)變化的像素信號(hào)；行解碼模塊3以固定時(shí)間間隔(一般為10_6s至10_3s)給出一系列行選擇控制信號(hào)RC, RC中包括復(fù)位信號(hào)Reset、行選擇信號(hào)Rsa、轉(zhuǎn)移電荷信號(hào)TX、全局曝光信號(hào)GS等，RC信號(hào)均為數(shù)字脈沖信號(hào)，脈沖長(zhǎng)度約為10_7s至10、，用于控制光電轉(zhuǎn)換模塊I中的像素陣列，依次將光電轉(zhuǎn)換模塊I輸出的每行獨(dú)立的像素信號(hào)S1、S2通過(guò)全并行的方式輸出給上讀出處理模塊21和下讀出處理模塊22;上讀出處理模塊21和下讀出處理模塊22在結(jié)構(gòu)上完全相同，各含有半列數(shù)(M/2)的全并行處理單元。如圖2所示，上(下)讀出處理模塊21 (22)由相關(guān)雙采樣電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊211、輸出緩存模塊212以及進(jìn)行列解碼處理的模塊213組成。由光電轉(zhuǎn)換模塊I輸出的并行信號(hào)SI首先進(jìn)入模塊211，在控制信號(hào)Cl的控制下，通過(guò)相關(guān)雙采樣技術(shù)濾除噪聲，而后經(jīng)模塊211中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出并行數(shù)字信號(hào)DS ;由于采用的電荷補(bǔ)償型光電二極管其輸出擺幅的仿真結(jié)果大于IV，在讀出電路中無(wú)需放大器，采用將光電轉(zhuǎn)換模塊I輸出的并行信號(hào)SI (或S2)直接與ADC連接的方式設(shè)計(jì)。并行數(shù)字信號(hào)DS輸入模塊212進(jìn)行緩存，模塊213在Cl的控制下給出內(nèi)部控制信號(hào)CC，在CC的控制下模塊212中緩存的數(shù)據(jù)按位依次輸出，轉(zhuǎn)換為串行編碼得到最終的輸出Dl (D2)。D1、D2信號(hào)作為原始圖像信號(hào)輸出，對(duì)其進(jìn)行處理的電路結(jié)構(gòu)不屬于本發(fā)明討論范圍。此處采用的相關(guān)雙采樣電路可直接采用類(lèi)似美國(guó)專利US2009/0256735A1中給出的結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)亦不屬于本發(fā)明討論范圍。在整個(gè)傳感器工作過(guò)程中，偏置信號(hào)模塊4為光電轉(zhuǎn)換模塊I、上讀出處理模塊21和下讀出處理模塊22提供所需的各種偏置電壓和電流(主要包括VdcUV^p以及模塊21和22中各放大器工作所需的偏置信號(hào))。偏置信號(hào)模塊4可以采用傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路等結(jié)構(gòu)提供理想的偏置電壓和偏置電流信號(hào)B1、B21、B22分別供光線轉(zhuǎn)換模塊I、上讀出處理模塊21、下讀出處理模塊22使用。其具體結(jié)構(gòu)不屬于本發(fā)明范疇，只作為傳感器工作必須的模塊存在(該處基準(zhǔn)電路可直接采用Willy Sansen在《模擬集成電路設(shè)計(jì)精粹》中p325和P331所示結(jié)構(gòu))。圖3 (a)給出了傳統(tǒng)光電二極管Dp的剖面結(jié)構(gòu)示意圖及等效器件。其基本結(jié)構(gòu)是在P型襯底301 (P-sub)材料上通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)一個(gè)N阱302 (N-well)，形成PN結(jié)，構(gòu)成光電二極管Dp并輔以重?fù)诫s的N區(qū)303 (N+)用于連接電位。當(dāng)在光電二極管Dp上加上反向偏壓時(shí)，反向光電流的大小與光強(qiáng)有關(guān)。 圖3 (b)給出了本發(fā)明中所設(shè)計(jì)的電荷補(bǔ)償型光電二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖及等效器件。其特征在于在P型襯底301 (P-sub)材料(如經(jīng)摻雜后的Si等IV族半導(dǎo)體材料或者III - V族化合物，電導(dǎo)率一般為15 25 Q cm，摻雜材料一般為III族元素受主雜質(zhì)，如硼等，摻雜濃度范圍5X IO1Vcm3 IXlOlfVcm3)上通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)一個(gè)N阱302 (N-well)(濃度范圍5X IOlfVcm3 5X 1017/cm3，摻雜材料可使用V族元素作施主雜質(zhì)，如磷)，在N阱302 (N-well)中通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)重?fù)诫s的N區(qū)(N+) 303 (重?fù)诫s的濃度范圍5 X IO1Vcm3 IX 102°/cm3，摻雜材料可使用V族元素施主雜質(zhì)，如磷)用于連接電位，P型襯底301與N阱302分別作為P極和N極構(gòu)成光電二極管Dp ;再在N阱302(N-well)中重?fù)诫s的N區(qū)(N+) 303以外的區(qū)域，通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)一個(gè)重?fù)诫s的P區(qū)304 (P+)(重?fù)诫s的濃度范圍5 X IO1Vcm3 I X 102°/cm3，摻雜材料可使用III族元素受主雜質(zhì)，如B)，重?fù)诫s的P區(qū)304 (P+)和重?fù)诫s的N區(qū)303 (N+)分別作為P極和N極形成電荷補(bǔ)償二極管Dc ;在重?fù)诫s的P區(qū)(P+)接入偏置電壓VOTP，通過(guò)偏置電壓Votp向光電二極管Dp進(jìn)行電荷補(bǔ)償，從而構(gòu)成電荷補(bǔ)償型光電二極管。在如圖3 (b)所示的傳感器等效架構(gòu)中，使用積分電容Cint等效光電二極管Dp的結(jié)電容(當(dāng)接入驅(qū)動(dòng)電路后還將包括與其直接相連的MOS管的柵電容)。使用該結(jié)構(gòu)，電荷補(bǔ)償二極管D。會(huì)根據(jù)積分電容Cint上儲(chǔ)存電荷的多少自動(dòng)調(diào)整其偏置的極性。弱光條件下(本發(fā)明定義為光功率密度小于10_4W/Cm2，下同)，使用高電平(一般使用電源電壓Vdd)對(duì)積分電容Cint進(jìn)行復(fù)位后電荷補(bǔ)償二極管D。處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)一定范圍(光功率密度大于10_3W/cm2)，隨著光電二極管Dp光生電流的增大，使得積分電容Cint上電壓Vp(即電荷補(bǔ)償二極管D。N端電壓)低于Votp約0. 3V時(shí)，電荷補(bǔ)償二極管D。開(kāi)始進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，此時(shí)，電荷補(bǔ)償二極管D。將向光電二極管Dp補(bǔ)償電荷，其補(bǔ)償速度將與光強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)補(bǔ)償電流的大小與光電二級(jí)管Dp的光生電流相等時(shí)，光電二極管Dp將不再?gòu)姆e分電容Cint上抽取電荷，Vp電壓呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖4給出了該電荷補(bǔ)償型光電二極管在不同工作狀態(tài)下積分電容上電壓Vp與積分時(shí)間的關(guān)系模擬示意圖。在t=0之前的時(shí)刻，電路處于復(fù)位狀態(tài)。t=0之后電路進(jìn)入積分工作狀態(tài)，此種結(jié)構(gòu)在弱光條件下，與傳統(tǒng)光電二極管工作方式相同，輸出信號(hào)的幅值與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。而在強(qiáng)光條件下，對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償光電ニ極管，由于光電流較大，Vp電壓將隨著積分時(shí)間的增加很快降為O，由于在降為O之前沒(méi)有穩(wěn)態(tài)的存在，無(wú)法區(qū)分不同光強(qiáng)下的響應(yīng)，故傳統(tǒng)光電ニ極管在強(qiáng)光下會(huì)呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)；而對(duì)于本發(fā)明中的電荷補(bǔ)償光電ニ極管，當(dāng)Vp下降到一定程度后，電荷補(bǔ)償ニ極管D。的補(bǔ)償作用將使Vp進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，其值將與光強(qiáng)的指數(shù)呈線性關(guān)系，由于器件未呈現(xiàn)飽和態(tài)，Vp電壓能夠反映不同光強(qiáng)的強(qiáng)弱，故該結(jié)構(gòu)的光電ニ極管顯著增強(qiáng)了強(qiáng)光下的性能，獲得了超寬的動(dòng)態(tài)范圍。使用此種電荷補(bǔ)償技術(shù)的光電ニ極管，具體像素驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)可以有以下(但不限于)方式圖5給出了采用標(biāo)準(zhǔn)3管(3T)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的像素単元結(jié)構(gòu)示意圖，其中Vdd為電源電壓或其他高偏壓，Vcomp為補(bǔ)償偏壓(上述信號(hào)來(lái)自于偏置信號(hào)模塊4), Reset信號(hào)為像素復(fù)位信號(hào)，Rsa為行選擇控制信號(hào)(上述信號(hào)來(lái)自行解碼模塊3)。Ml、M2及SF均為MOS管，可以采用NM0S，亦可使用PMOS。Ml管和M2管作為開(kāi)關(guān)使用，SF管作為源跟隨器使用。具體連接方式為M1、SF管的上端同時(shí)與Vdd相連，Reset信號(hào)接至Ml管的柵極，Ml管的下端與SF管的柵極以及電荷補(bǔ)償型光電ニ極管的N+極相連，SF管的下端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行總線SI (或S2)相連，Rsa信號(hào)接至M2管的柵極。Votp偏置電壓接至補(bǔ)償ニ極管的P+區(qū)，電荷補(bǔ)償型光電ニ極管的P型襯底301接地。工作狀態(tài)開(kāi)始時(shí)，Ml與·M2管均處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)行選擇信號(hào)給出吋，M2管開(kāi)啟，將SF下端的連接至并行信號(hào)總線SI (或S2)上，等待信號(hào)電平的到來(lái)。當(dāng)Reset信號(hào)給出吋，Ml管打開(kāi)，電荷補(bǔ)償型光電ニ極管的N+區(qū)被連至Vdd，節(jié)電容及SF管的柵電容構(gòu)成的Cint被復(fù)位至Vdd。Reset信號(hào)停止吋，Ml管關(guān)斷，電路進(jìn)入積分狀態(tài)，Cint上的電壓由Vdd開(kāi)始下降，其電壓的大小與光強(qiáng)有關(guān)，而SF管的下端電壓將跟隨Cint上的電壓變化，并輸出至信號(hào)總線上，讀取周期完畢，M2管斷開(kāi)圖5給出了采用標(biāo)準(zhǔn)4管(4T)結(jié)構(gòu)的像素單元結(jié)構(gòu)示意圖，4T結(jié)構(gòu)較比3T結(jié)構(gòu)，其是在P型襯底301上通過(guò)擴(kuò)散或注入エ藝在靠近原有的N阱區(qū)302再生長(zhǎng)第二 N阱區(qū)305及第二重?fù)诫s的N+區(qū)306，在兩個(gè)N阱區(qū)302、305之間通過(guò)干氧法氧化制備柵氧層，并在柵氧層上淀積多晶硅層，形成TX柵，這樣實(shí)際構(gòu)成了第四個(gè)MOS管。具體連接方式為M1、SF管的上端同時(shí)與Vdd相連，Reset信號(hào)接至Ml管的柵極，Ml管的下端與SF管的柵極以及TX右側(cè)的N+區(qū)306相連，SF管的下端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行信號(hào)總線SI(或S2)相連，Rsa信號(hào)接至M2管的柵極。Votp偏置電壓接至補(bǔ)償ニ極管的P+區(qū)，電荷補(bǔ)償型光電ニ極管的襯底接地。當(dāng)行選擇信號(hào)給出吋，M2管開(kāi)啟，將SF下端的電壓傳輸至并行信號(hào)總線SI (或S2)上。電路進(jìn)行復(fù)位操作吋，Ml管和TX柵均打開(kāi)，將TX柵兩側(cè)N區(qū)復(fù)位至Vdd。TX柵與Ml管關(guān)斷后，電路進(jìn)入積分狀態(tài)，Cint上的電壓由Vdd開(kāi)始下降，其存儲(chǔ)電荷的多少與光強(qiáng)有夫。當(dāng)需要讀出吋，TX柵再次打開(kāi)，將存儲(chǔ)在Cint上的電荷轉(zhuǎn)移至TX右側(cè)的N區(qū)之中。SF管的下端同樣將跟隨右側(cè)N區(qū)電平的變化，將像素信號(hào)傳輸至并行信號(hào)總線SI (或S2)上，讀取周期完畢，M2管斷開(kāi)。4T結(jié)構(gòu)亦可以在電荷補(bǔ)償型光電ニ極管的重?fù)诫sN區(qū)(N+)上接入ー個(gè)與Ml完全相同的MOS管M3，其上端與Vdd相連，下端連接光電ニ極管的N+區(qū)，其柵極接入全局曝光信號(hào)GS，同時(shí)作用于所有像素単元，上述附加結(jié)構(gòu)如圖6中虛線部分所示。在此種連接方式下，當(dāng)行選擇信號(hào)給出吋，M2管開(kāi)啟，將SF下端的電壓傳輸至并行信號(hào)總線SI (或S2)上。進(jìn)行復(fù)位操作吋，Ml管和M3管打開(kāi)，將TX兩側(cè)N區(qū)復(fù)位至Vdd，當(dāng)GS信號(hào)跳變時(shí)，M3管關(guān)斷，Cint上的電壓由Vdd開(kāi)始下降，其存儲(chǔ)電荷的多少與光強(qiáng)有夫。當(dāng)需要讀出吋，Ml管關(guān)斷，TX柵打開(kāi)，將存儲(chǔ)在CINT上的電荷轉(zhuǎn)移至TX右側(cè)的N區(qū)之中。SF管的下端同樣將跟隨右側(cè)N區(qū)電平的變化，將像素信號(hào)傳輸至并行信號(hào)總線SI (或S2)上，讀取周期完畢，M2管斷開(kāi)。本發(fā)明所述的低工作電壓寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn)I、像素元件中在主光電ニ極管旁集成了電荷補(bǔ)償用元件，使得在強(qiáng)光條件下能夠通過(guò)向主光電ニ極管積分電容補(bǔ)償電荷，從而避免像素輸出飽和，器件在弱光條件下對(duì)光強(qiáng)呈現(xiàn)線性相應(yīng)，而在強(qiáng)光條件下自動(dòng)轉(zhuǎn)為對(duì)光強(qiáng)對(duì)數(shù)的線性響應(yīng)，從而獲得極寬的動(dòng)態(tài)范圍；2、響應(yīng)特性的切換由附加ニ極管根據(jù)像素電平自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需外加電路，響應(yīng)速度快；3、像素電路輸出電壓擺幅大，不需要集成列放大器電路，可以直接輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了裝置設(shè)計(jì)流程，節(jié)省芯片面積；4、感光動(dòng)態(tài)范圍極寬，理論值高達(dá)200dB ；5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像素尺寸小。


圖I:本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于電荷補(bǔ)償技術(shù)的圖像傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；圖2 :本發(fā)明所設(shè)計(jì)的讀出控制模塊的架構(gòu)示意圖；
圖3(a):傳統(tǒng)光電ニ極管的剖面示意圖與等效電路；圖3(b):本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電荷補(bǔ)償型光電ニ極管的剖面示意圖與等效電路；圖4 :本發(fā)明所設(shè)計(jì)的圖像傳感器像素在不同輸入光強(qiáng)下積分電容節(jié)點(diǎn)電壓隨積分時(shí)間變化的示意圖；圖5 :采用電荷補(bǔ)償型光電ニ極管、3T結(jié)構(gòu)的像素單元連接示意圖；圖6 :采用電荷補(bǔ)償型光電ニ極管、4T結(jié)構(gòu)的像素單元連接示意圖；圖7 :本發(fā)明ー種320X240像素陣列的連接方式；圖8(a):本發(fā)明所設(shè)計(jì)的CIS像素在不同光強(qiáng)下的瞬態(tài)工作特性；圖8(b):本發(fā)明所設(shè)計(jì)的CIS像素電壓與入射光強(qiáng)的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :本發(fā)明所述圖像傳感器和標(biāo)準(zhǔn)CMOSエ藝完全兼容，下面基于O. 18 μ m標(biāo)準(zhǔn)CMOSエ藝，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)ー個(gè)320X240面陣構(gòu)成的圖像傳感器陣列進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)在此具體實(shí)施例中，圖像傳感器在O. 18 μ m標(biāo)準(zhǔn)CMOSエ藝下設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)采用圖I所示的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的模塊I中像素陣列被排列成240行和320列，如圖7所示。各像素単元均采用如圖4所示的3T結(jié)構(gòu)，其每一列的像素輸出SI均接至信號(hào)總線Signal Bus上。并在姆一列的總線Signal Busl SignalBus 320上設(shè)置電流源負(fù)載Ibi IB32(I。隨光強(qiáng)連續(xù)變化，像素陣列產(chǎn)生連續(xù)變化的電壓信號(hào)。此信號(hào)由行解碼器(圖I中模塊3)產(chǎn)生行選擇控制開(kāi)關(guān)RsaI Rsa240控制逐行傳輸至采用了相關(guān)雙采樣技術(shù)的ADC (模塊211)，由于在器件仿真中獲得的像素輸出擺幅超過(guò)IV，故處理電路無(wú)需放大器，像素陣列的模擬輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)雙采樣 技術(shù)處理后直接逐行輸入全并行12bitADC，轉(zhuǎn)化為12bit數(shù)字編碼后存儲(chǔ)在輸出緩沖(模塊212)中，在列解碼器(模塊213)的編碼控制下，轉(zhuǎn)化為串行編碼得到最終的輸出。偏置模塊4采用帶隙基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的I. 2V基準(zhǔn)電壓，作為標(biāo)準(zhǔn)電壓，其余偏置電壓和偏置電流據(jù)此通過(guò)分壓和放大的方式產(chǎn)生。此裝置像素部分采用3. 3V電源工作電壓，數(shù)字部分采用I. 8V電源供電以減小功耗。像素単元設(shè)計(jì)在如圖7所示具體實(shí)施例中，圖像傳感器像素單元采用如圖5中所示的3T結(jié)構(gòu)。其中Votp電壓設(shè)定為I. 8V, Vdd電壓設(shè)定為3. 3V，3T結(jié)構(gòu)中所有MOS管采用N管設(shè)計(jì)。像素積分電容由光電ニ極管結(jié)電容和源跟隨器的柵電容構(gòu)成。器件設(shè)計(jì)平面尺寸為5X1 μ m2，襯底層采用P型Si材料制備，受光窗ロ(N-well區(qū))大小為3X I μ m2,講深3 μ m,位于器件中央。入射光米用600nm波長(zhǎng)的單色光輸入。器件P-sub摻雜濃度I X IOlfVcm3, Niell摻雜濃度I X 1017/cm3, P+重?fù)诫s濃度為I X IO1Vcm3,N+重?fù)诫s濃度為I X IO1Vcm3, P型摻雜材料為硼，N型摻雜材料為磷。工作過(guò)程設(shè)計(jì)本發(fā)明所述的傳感器，采取輸出數(shù)字信號(hào)，在外部電路進(jìn)行圖像算法還原的方式工作。開(kāi)始工作時(shí)，偏置部分(模塊4)首先啟動(dòng)，給出所需的各項(xiàng)偏置信號(hào)，待其輸出穩(wěn)定后，進(jìn)入曝光等待狀態(tài)。當(dāng)外部控制電路輸入曝光控制的脈沖信號(hào)后，在行解碼器的控制下，RseJ RseJ40信號(hào)依次輸入高電平(3. 3V)長(zhǎng)度為6ms的脈沖，每一行信號(hào)Rsa變高后，對(duì)應(yīng)Reset信號(hào)給出Ims的高電平脈沖，使各列上的像素復(fù)位，Reset信號(hào)變低后像素電路進(jìn)入積分狀態(tài)，預(yù)設(shè)積分時(shí)間為4ms。在此過(guò)程中，在總線上傳輸?shù)南袼匦盘?hào)首先經(jīng)相關(guān)雙采樣技術(shù)濾除噪聲，采樣處理后的信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在輸出緩沖中緩存，并轉(zhuǎn)化為串行編碼最終輸出。圖8(a)與圖8(b)給出了像素電荷補(bǔ)償型CIS的工作特性。其中圖8(a)是設(shè)計(jì)的像素電荷補(bǔ)償CMOS圖像傳感器原型結(jié)構(gòu)積分電容的電壓與積分時(shí)間的變化曲線。光強(qiáng)變化從10_9W/cm2到10W/cm2時(shí)，像素輸出電壓輸出擺幅約為I. 3V。積分起始時(shí)間點(diǎn)為1ms，即前Ims相當(dāng)于復(fù)位，電容被復(fù)位到約2. 3V，積分時(shí)間共4ms。在弱光下，電容上的電荷通過(guò)主光電ニ極管和電荷補(bǔ)償ニ極管釋放，像素電壓隨積分時(shí)間直線下降，下降斜率與光強(qiáng)成正比；在強(qiáng)光下，主光電ニ極管光電流相應(yīng)增大，導(dǎo)致像素電壓極快地下降，當(dāng)積分電容上的電壓降至I. 5V左右時(shí)，反向偏置的電荷補(bǔ)償ニ極管翻轉(zhuǎn)成正向偏置，并向積分電容快速補(bǔ)充電荷。如果光強(qiáng)很強(qiáng)且積分時(shí)間夠長(zhǎng)，像素電壓隨即迅速飽和，不再隨積分時(shí)間變化，而只與光強(qiáng)有關(guān)，且與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。圖8(b)是5ms時(shí)刻像素電壓與輸入光功率密度的關(guān)系，插入圖是弱光下(小于10_4W/cm2)的放大?？梢钥闯?，在弱光下，即10_9W/cm2到 10_4W/cm2之間，輸出電壓與光強(qiáng)為很好的線性關(guān)系，與通常積分模式的CMOS圖像傳感器特性相同。在強(qiáng)光下，也就是圖的右半部分，即光強(qiáng)從10_3W/cm2到lOW/cm2時(shí)，輸出電壓與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系?？梢钥粗罥J，在強(qiáng)光照下(日光條件下光強(qiáng)約僅為KT1WAm2)輸出電壓未表現(xiàn)出隨光強(qiáng)的飽和現(xiàn)象，且仍有較大余量。根據(jù)該設(shè)計(jì)實(shí)例計(jì)算得出的DR范圍已達(dá)
權(quán)利要求
1.一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其由光電轉(zhuǎn)換模塊(I)、控制和讀出光電轉(zhuǎn)換模塊(I)數(shù)據(jù)的上讀出處理模塊(21)與下讀出處理模塊(22)、行解碼模塊(3)和偏置信號(hào)模塊(4)組成，各模塊在圖像傳感器外部輸入的一組控制信號(hào)C的控制下工作，偏置信號(hào)模塊(4)為光電轉(zhuǎn)換模塊(I)、上讀出處理模塊(21)和下讀出處理模塊(22)提供所需的各種偏置電壓和電流；其特征在于 a、光電轉(zhuǎn)換模塊(I)由一個(gè)MXN陣列的像素單元組成，M、N均為正偶數(shù)，每一個(gè)像素單元包括一個(gè)電荷補(bǔ)償型光電二級(jí)管和其驅(qū)動(dòng)電路，在外部光信號(hào)的作用下，電荷補(bǔ)償型光電二級(jí)管產(chǎn)生隨光強(qiáng)變化的像素信號(hào)；行解碼模塊3以固定時(shí)間間隔給出一系列行選擇控制信號(hào)RC，用于控制光電轉(zhuǎn)換模塊(I)中的像素陣列，依次將光電轉(zhuǎn)換模塊(I)輸出的每行獨(dú)立的像素信號(hào)SI和S2通過(guò)全并行的方式輸出給上讀出處理模塊(21)和下讀出處理模塊(22)； b、電荷補(bǔ)償型光電二極管是在P型襯底(301)上通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)一個(gè)N阱 (302)，在N阱(302)中通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)重?fù)诫s的N+區(qū)(303)用于連接電位，P型襯底(301)與N阱(302)分別作為P極和N極構(gòu)成光電二極管Dp ;再在N阱(302)中重?fù)诫s的N+區(qū)(303)以外的區(qū)域通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝生長(zhǎng)一個(gè)重?fù)诫s的P+區(qū)(304)，重?fù)诫s的P+區(qū)(304)和重?fù)诫s的N+區(qū)(303)分別作為P極和N極形成電荷補(bǔ)償二極管D。；在重?fù)诫s的P+區(qū)接入由偏置信號(hào)模塊(4)提供偏置電壓Votp，通過(guò)偏置電壓Votp向光電二極管Dp進(jìn)行電荷補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于P型襯底(301)為經(jīng)摻雜后的IV族半導(dǎo)體材料或者III- V族化合物，電導(dǎo)率為15 25 Q cm,摻雜材料為III族兀素,摻雜濃度為5 X IO1Vcm3 I X IO16/cm3。
3.如權(quán)利要求I所述的一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于重?fù)诫sP區(qū)(304)的濃度范圍5X IO1Vcm3 I X 102°/cm3，摻雜材料為III族元素。
4.如權(quán)利要求I所述的一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于像素單元由一個(gè)電荷補(bǔ)償型光電二級(jí)管和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)3管驅(qū)動(dòng)電路組成，標(biāo)準(zhǔn)3管驅(qū)動(dòng)電路由3個(gè)MOS或NMOS的Ml管、M2管和SF管組成，Ml管、SF管的上端同時(shí)與Vdd相連，Reset信號(hào)接至Ml管的柵極，Ml管的下端與SF管的柵極以及電荷補(bǔ)償型光電二極管的N+極相連，SF管的下端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行總線SI或S2相連，Rsel信號(hào)接至M2管的柵極，Vcomp偏置電壓接至補(bǔ)償二極管的P+區(qū)，電荷補(bǔ)償型光電二極管的P型襯底(301)接地；Vdd為電源電壓或其他高偏壓，Vcomp為補(bǔ)償偏壓，兩個(gè)信號(hào)來(lái)自于偏置信號(hào)模塊(4) ；Reset信號(hào)為像素復(fù)位信號(hào)，Rsel為行選擇控制信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)來(lái)自行解碼模塊(3)。
5.如權(quán)利要求I所述的一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于像素單元由一個(gè)電荷補(bǔ)償型光電二級(jí)管和標(biāo)準(zhǔn)4管驅(qū)動(dòng)電路組成，其是在P型襯底(301)上通過(guò)擴(kuò)散或注入工藝在靠近原有的N阱區(qū)(302)再生長(zhǎng)第二 N阱區(qū)(305)及第二重?fù)诫s的N+區(qū)(306 )，在兩個(gè)N阱區(qū)(302、305 )之間通過(guò)干氧法氧化制備柵氧層，并在柵氧層上淀積多晶硅層，形成TX柵；M1管和SF管的上端同時(shí)與Vdd相連，Reset信號(hào)接至Ml管的柵極，Ml管的下端與SF管的柵極以及TX柵右側(cè)的N+區(qū)相連，SF管的下端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行信號(hào)總線SI或S2相連，Rsa信號(hào)接至M2管的柵極，Votp偏置電壓接至補(bǔ)償二極管的P+區(qū)，電荷補(bǔ)償型光電二極管的P型襯底(301)接地；Vdd為電源電壓或其他高偏壓，Votp為補(bǔ)償偏壓，兩個(gè)信號(hào)來(lái)自于偏置信號(hào)模塊(4);ReSet信號(hào)為像素復(fù)位信號(hào)，Rsel為行選擇控制信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)來(lái)自行解碼模塊(3)。
6.如權(quán)利要求I所述的一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于在重?fù)诫s的N+區(qū)(303)上還接入一個(gè)與Ml管完全相同的M3管，M3管上端與Vdd相連，下端連接光電二極管的N+區(qū)(303)，其柵極接入全局曝光信號(hào)GS。
7.如權(quán)利要求I所述的一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于上讀出處理模塊(21)和下讀出處理模塊(22)結(jié)構(gòu)相同，各含有半列數(shù)的全并行處理單元，分別由相關(guān)雙采樣電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊(211)、輸出緩存模塊(212)以及進(jìn)行列解碼處理的模塊(213)組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體圖像感測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于像素電荷補(bǔ)償技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，由光電轉(zhuǎn)換模塊1、控制和讀出光電轉(zhuǎn)換模塊1數(shù)據(jù)的上讀出處理模塊21與下讀出處理模塊22、行解碼模塊3和偏置信號(hào)模塊4組成。像素元件中在主光電二極管旁集成了電荷補(bǔ)償用元件，使得在強(qiáng)光條件下能夠通過(guò)向主光電二極管積分電容補(bǔ)償電荷，從而避免像素輸出飽和，器件在弱光條件下對(duì)光強(qiáng)呈現(xiàn)線性相應(yīng)，而在強(qiáng)光條件下自動(dòng)轉(zhuǎn)為對(duì)光強(qiáng)對(duì)數(shù)的線性響應(yīng)，從而獲得極寬的動(dòng)態(tài)范圍；像素電路輸出電壓擺幅大，不需要集成列放大器電路，可以直接輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了裝置設(shè)計(jì)流程，節(jié)省芯片面積；感光動(dòng)態(tài)范圍極寬，理論值高達(dá)200dB。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102752560SQ20121020848
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者余昭杰, 周泉, 宋靜怡, 常玉春, 李兆涵, 李冰, 李靖, 杜國(guó)同 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)