一種全局快門圖像傳感器像素單元及工作方法技術

本發明專利技術公開了一種全局快門圖像傳感器像素單元及工作方法。該像素單元包括感光收集存儲區和信號讀取區，感光收集存儲區包括襯底感光收集區、第一級電容器、信號存儲區、第二級電容器和全局快門開關；全局快門開關包括快門第一端口、快門第二端口和快門第三端口，快門第一端口與信號存儲區相連；感光收集存儲區還設有對外電壓接口，包括像素柵極、像素襯底、快門驅動和快門電源，像素柵極與第二級電容器的第二端口相連，像素襯底與襯底感光收集區相連，快門驅動與快門第二端口相連，快門電源與快門第三端口相連；信號讀取區包括讀取場效應管，用于輸出信號存儲區所存儲信號。本發明專利技術只需要通過兩個晶體管的精簡結構可實現圖像傳感器全局曝光的功能。全局曝光的功能。全局曝光的功能。

【技術實現步驟摘要】
一種全局快門圖像傳感器像素單元及工作方法


[0001]本專利技術涉及圖像傳感器領域，具體來說涉及一種小尺寸全局快門圖像傳感器像素單元及工作方法。

技術介紹

[0002]CMOS圖像傳感器(CIS)一直在不斷發展，目前已廣泛應用于智能手機成像、安全與監控、生物識別、汽車和深度傳感和測距等諸多領域。一般而言CMOS圖像傳感器常采用滾動曝光(Rolling Shutter)和全局曝光(Global Shutter)兩種曝光方式，當對高速運動的物體成像時，通常需要全局曝光來避免圖像失真。而相對滾動曝光，全局曝光除了需要時序上的調整還需要器件級全局快門結構，通常最簡單的全局快門像素是在經典的4T像素結構基礎上再增加一個場效應管作為快門結構(5T)，如圖11所示，其工作主要包括以下幾個過程：首先，在復位管(RST)對像素進行復位后，光生電荷被信號收集二極管(PD)收集；其次電荷信號通過轉移管(TX)從信號收集二極管轉移至存儲節點(FD)；接下來轉移管關斷保持存儲節點信號量不變；然后快門場效應管(SH)導通，防止信號收集二極管所收集信號溢出影響存儲節點信號量；最后通過行選通管(Row)將選通像素中存儲節點電壓信號通過源跟隨器(SF)逐行讀取出來。
[0003]在對圖像分辨率要求較高的應用場景中，像素尺寸的縮小成為必然趨勢，然而由于CMOS全局快門圖像傳感器單一像元包括較多晶體管，即使采用像素間晶體管共用的方式，在保證信號收集二極管與存儲節點阱深容量充足的情況下，已很難將像素尺寸進一步縮小。目前，隨著背照式(BSI)技術的應用，CMOS全局快門圖像傳感器像元尺寸可縮小至2.2um(Sergey Velichko,“Overview of CMOS Global Shutter Pixels,”IEEE Transactions On Electron Devices,2022,69(6):2806
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2814)，但距離亞微米還存在的距離。
[0004]因此全局快門圖像傳感器像素尺寸的進一步縮小依賴于更精簡像素結構的設計，同時像素還需具備高填充因子以及較大的收集節點與存儲節點電容，以保證量子效率和滿阱容量的要求，進而在像素尺寸縮小的同時不影響其成像質量。

技術實現思路

[0005]本專利技術的目的是：針對當前全局快門圖像傳感器像素尺寸縮小所遇到的問題，提出一種新型的全局快門圖像傳感器像素單元結構，通過只需要兩個晶體管(2T)的精簡結構實現圖像傳感器全局曝光的功能。
[0006]為達上述目的，本專利技術像素單元采用的技術方案如下：
[0007]一種全局快門圖像傳感器像素單元，包括感光收集存儲區和信號讀取區，所述感光收集存儲區包括襯底感光收集區、第一級電容器、信號存儲區、第二級電容器和全局快門開關，所述襯底感光收集區與所述第一級電容器的第一端口相連；所述第一級電容器的第二端口與所述第二級電容器的第一端口相連，該相連區域形成所述信號存儲區；所述全局
快門開關包括快門第一端口、快門第二端口和快門第三端口，其中快門第二端口為使能端口，用于控制所述快門第一端口與所述快門第三端口的導通，所述快門第一端口與所述信號存儲區相連；所述感光收集存儲區還設有對外電壓接口，包括像素柵極、像素襯底、快門驅動和快門電源，其中所述像素柵極與所述第二級電容器的第二端口相連，所述像素襯底與所述襯底感光收集區相連，所述快門驅動與所述快門第二端口相連，所述快門電源與所述快門第三端口相連；并且，所述襯底感光收集區用于感應光信號與收集光生電荷，所述全局快門開關用于控制所述信號存儲區信號量與襯底感光收集區所收集光生電荷量的耦合；并且，所述信號讀取區包括一個讀取場效應管，用于輸出所述信號存儲區所存儲信號；所述讀取場效應管的襯底的摻雜類型與其源極和漏極的摻雜類型相反，所述讀取場效應管的柵極與所述信號存儲區相連。
[0008]進一步地，所述信號存儲區在存儲信號時表現為導體。
[0009]進一步地，所述讀取場效應管的襯底與所述襯底感光收集區相連，且兩者摻雜類型相同。
[0010]進一步地，所述快門電源與所述讀取場效應管的漏極相連。
[0011]進一步地，所述全局快門開關為一個場效應管，其柵極作為所述快門第二端口，其源極和漏極中的一極與所述信號存儲區相連作為所述快門第一端口，另一極作為所述快門第三端口；或者所述全局快門開關為一個雙極性晶體管，其基區作為所述快門第二端口，其集電區與所述信號存儲區相連作為所述快門第一端口，其發射區作為所述快門第三端口。
[0012]進一步地，所述襯底感光收集區上依次設有底層絕緣介質層、底層柵、頂層絕緣介質層和頂層柵；所述底層絕緣介質層、底層柵和頂層絕緣介質層各自為一整體結構，所述頂層柵由互不相連的第一頂層柵與第二頂層柵構成；所述底層絕緣介質層構成所述第一級電容器，所述底層絕緣介質層的下側作為所述第一級電容器的第一端口，其上側作為所述第一級電容器的第二端口；所述頂層絕緣介質層構成第二級電容器，所述頂層絕緣介質層的下側作為所述第二級電容器的第一端口，其上側作為所述第二級電容器的第二端口與所述第一頂層柵相連；所述信號存儲區位于底層柵內，全局快門開關為一場效應管，其柵極由所述第二頂層柵構成，其源極、漏極和襯底均位于底層柵內。
[0013]進一步地，所述襯底感光收集區上依次設有底層絕緣介質層、底層柵、頂層絕緣介質層和頂層柵；所述底層絕緣介質層、底層柵、頂層絕緣介質層和頂層柵各自為一整體結構；所述底層絕緣介質層構成所述第一級電容器，所述底層絕緣介質層的下側作為所述第一級電容器的第一端口，其上側作為所述第一級電容器的第二端口；所述頂層絕緣介質層構成第二級電容器，所述頂層絕緣介質層的下側作為所述第二級電容器的第一端口，其上側作為所述第二級電容器的第二端口與所述頂層柵相連；所述信號存儲區位于底層柵內，全局快門開關為一雙極性晶體管，其基區、發射區和集電區均位于底層柵內。
[0014]本專利技術還提供一種全局快門圖像傳感器像素單元的工作方法，包括如下步驟：
[0015](1)襯底感光收集區的復位：通過在所述像素柵極與所述像素襯底間施加適當的電壓差，排走原先位于所述襯底感光收集區中的電荷；
[0016](2)光生電荷的產生與收集：通過改變所述像素柵極與所述像素襯底間的電壓差，使得所述襯底感光收集區與所述第一級電容器相連的區域形成一光生電荷收集阱，在光照作用下，襯底感光收集區激發出光生電荷，光生電荷通過擴散作用進入該收集阱并被收集；
[0017](3)全局快門的開啟：在光生電荷收集前或收集過程中，通過所述快門第二端口加壓，使得所述全局快門開關導通，所述快門電源將外部電壓傳遞給所述信號存儲區，所述襯底感光收集區收集的光生電荷量通過第一級電容器與所述信號存儲區所存儲信號量耦合，即所述信號存儲區所存儲信號量與襯底感光收集區所收集光生電荷量一一對應；
[0018](4)全局快門的關閉：通過所述快門第二端口加壓，使得所述全局快門開關關斷，所述信號存儲區成為一浮空節點，所存儲的信號量不本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種全局快門圖像傳感器像素單元，包括感光收集存儲區和信號讀取區，其特征在于，所述感光收集存儲區包括襯底感光收集區、第一級電容器、信號存儲區、第二級電容器和全局快門開關，所述襯底感光收集區與所述第一級電容器的第一端口相連；所述第一級電容器的第二端口與所述第二級電容器的第一端口相連，該相連區域形成所述信號存儲區；所述全局快門開關包括快門第一端口、快門第二端口和快門第三端口，其中快門第二端口為使能端口，用于控制所述快門第一端口與所述快門第三端口的導通，所述快門第一端口與所述信號存儲區相連；所述感光收集存儲區還設有對外電壓接口，包括像素柵極、像素襯底、快門驅動和快門電源，其中所述像素柵極與所述第二級電容器的第二端口相連，所述像素襯底與所述襯底感光收集區相連，所述快門驅動與所述快門第二端口相連，所述快門電源與所述快門第三端口相連；并且，所述襯底感光收集區用于感應光信號與收集光生電荷，所述全局快門開關用于控制所述信號存儲區信號量與襯底感光收集區所收集光生電荷量的耦合；并且，所述信號讀取區包括一個讀取場效應管，用于輸出所述信號存儲區所存儲信號；所述讀取場效應管的襯底摻雜類型與其源極和漏極的摻雜類型相反，所述讀取場效應管的柵極與所述信號存儲區相連。2.根據權利要求1所述的一種全局快門圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述信號存儲區在存儲信號時表現為導體。3.根據權利要求1所述的一種全局快門圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述讀取場效應管的襯底與所述襯底感光收集區相連，且兩者摻雜類型相同。4.根據權利要求1所述的一種全局快門圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述快門電源與所述讀取場效應管的漏極相連。5.根據權利要求1所述的一種全局快門圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述全局快門開關為一個場效應管，其柵極作為所述快門第二端口，其源極和漏極中的一極與所述信號存儲區相連作為所述快門第一端口，另一極作為所述快門第三端口；或者所述全局快門開關為一個雙極性晶體管，其基區作為所述快門第二端口，其集電區與所述信號存儲區相連作為所述快門第一端口，其發射區作為所述快門第三端口。6.根據權利要求5所述的一種全局快門圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述襯底感光收集區上依次設有底層絕緣介質層、底層柵、頂層絕緣介質層和頂層柵；所述底層絕緣介質層、底層柵和頂層絕緣介質層各自為一整體結構，所述頂層柵由互不相連的第一頂層柵與第二頂層柵構成；所述底層絕緣介質層構成所述第一級電容器，所述底層絕緣介質層的下側作為所述第一級電容器的第一端口，其上側作為所述第一級電容器的第二端口；所述頂層絕緣介質層構成第二級電容器，所述頂層絕緣介質層的下側作為所述第二級電容器的第一端口，其上側作為所述第二級電容器的第二端口與所述第一頂層柵相連；所述信號存儲區位于底層柵內，全局快門開關為一場效應管，其柵極由所述第二頂層柵構成，其源極、漏極和襯底均位于底層柵內。7.根...

【專利技術屬性】
技術研發人員：閆鋒，常峻淞，沈凡翔，王子豪，陳輝，胡心怡，劉泉，朱千琳，馬浩文，卜曉峰，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：