具有集成变容二极管的有源像素传感器单元制造技术

一种包括至少一个光电二极管和复位电路以及耦接到光电二极管的集成变容器的有源像素传感器单元，一种读出这种单元的方法，以及包括这种单元的阵列的图像传感器。在曝光间隔期间，光电二极管可以曝光于光子，以在光电二极管的第一节点处积累子曝光电荷序列。在曝光间隔的不同子曝光间隔期间每个子曝光电荷积累在第一节点处。在每个复位间隔序列期间复位光电二极管，每个复位间隔出现在不同的一个子曝光间隔之前。可以从该单元确定表示曝光间隔期间积累在存储节点处的曝光电荷的输出信号，其中曝光电荷表示所有子曝光电荷的总和。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及有源像素传感器单元(例如，包括至少一个MOS晶体管和至少一个光电二极管的MOS有源像素传感器单元)和使用它们的方法。在一些实施例中，本专利技术涉及包括至少一个光电二极管和用于每个光电二极管的集成变容二极管的有源像素传感器单元，以及使用这种单元产生曝光信号的方法，包括在光电二极管子曝光(全部光电二极管曝光间隔的子区间)序列期间对一个这样的变容二极管的电容充电。
技术介绍
这里使用表达“MOS器件”作为MOS晶体管的同义词。这里使用术语“变容二极管”表示其中主要关心的电特性是依赖于电压的电容的半导体器件。例如，可以将NMOS(或者PMOS)晶体管用作变容二极管，并且它的电容由它的栅极和源极之间的电压决定(部分地)。对于另一个例子，可以使用二极管作为变容二极管。这里使用表达“光电二极管的曝光”(或者“光电二极管曝光”)表示在曝光间隔期间光电二极管对光子(将要感测的)的曝光。这里使用表达曝光间隔(或者曝光周期)的“子曝光间隔”表示曝光间隔(或者曝光周期)的子区间。这里使用表达“光电二极管的子曝光”(或者光电二极管子曝光)表示在曝光间隔的子区间期间光电二极管对光子(将要感测的)的曝光。这里使用表达“有源像素传感器单元”表示包括至少一个有源晶体管的图像传感器。通常，将有源像素传感器单元实现为以行和列布置的相同传感器单元的阵列的元件。通常，有源像素传感器单元包括至少一个光电二极管、用于每个光电二极管的复位晶体管和至少一个其它的读出晶体管(耦接到列线)，用于读出表示在曝光或者曝光序列期间积累在光电二极管的至少一个端子上的光生电荷的信号。控制每个复位晶体管，以复位光电二极管。通常对于每一曝光，控制至少一个读出晶体管，以在光电二极管已经被复位之后但是在它被曝光于将要感测的光子之前对列线认定表示光电二极管两端的电压的预曝光信号，并然后在光电二极管已经被曝光于将要感测的光子之后对列线认定表示光电二极管两端的电压的后曝光信号。可以通过读出电路(其通常沿着远离单元的列线设置)处理预曝光和后曝光信号，以在曝光过程中产生表示积累在光电二极管的至少一个端子上的光生电荷的信号。一种常规有源像素传感器单元是包括至少一个MOS晶体管和至少一个光电二极管的MOS有源像素传感器单元。在使用中，读出电路耦接到该单元(例如耦接到与该单元耦接的列线)。通过使用成像单元的阵列(通常包括大量的成像单元)的数码照相机快速代替传统的基于胶片的照相机以将接收到的光能量转换成表示图像的电信号。在数码照相机中使用以捕获入射的光能量的一种成像单元是有源像素传感器单元。图1是常规有源像素传感器单元100的示意图。如图1所示，单元100包括光电二极管112(具有耦接到节点A的第一端子和接地的第二端子)、NMOS复位晶体管114，其源极连接到光电二极管112以及其漏极被维持在电势Vdd、NMOS读出晶体管116(源跟随器放大器晶体管)，其栅极连接到光电二极管112以及其漏极被维持在电势Vdd、和NMOS行选择晶体管118，其漏极连接到读出晶体管116的源极。晶体管118的源极耦接到位线。典型地，当单元100是沿着行和列布置的单元阵列的元件时，该位线是列线。耦接晶体管118的栅极以接收控制位“CTL”。通常(例如，当单元100是沿着行和列布置的单元阵列的元件时)，CTL是行选择位，其被加以高脉冲以选择包括单元100的传感器单元的行。有源像素传感器单元100的操作通常包括三个步骤复位步骤，其中晶体管114被简短地开启以在光电二极管112两端设置预定初始电压；曝光步骤，其中将入射到光电二极管112上的光子转换成电荷(也就是，光生电荷迁移到光电二极管112的第一端子，同时光电二极管112被曝光于入射光子，由此减少复位步骤期间已经放置在第一端子上的初始电荷)；和信号读出步骤，其中读出表示光生电荷的信号(也就是，作为经过晶体管116和118的沟道的电流)。在复位步骤期间，利用复位电压VR(例如VR＝5伏)给复位晶体管114的栅极加以脉冲以导通晶体管114。作为响应，在光电二极管112在其端子之间被充电到初始电压VR-VT的意义上复位该光电二极管112，其中VT是复位晶体管114的阈值电压。在曝光步骤中，撞击光电二极管112的光子产生电子空穴对。所得到的光生电荷迁移到光电二极管112的端子。将光电二极管112设计成限制新形成的电子空穴对之间的复合。结果，光生空穴被吸引到光电二极管112的第二端子(接地端子)，同时光生电子被吸引到光电二极管112的第一端子。到达第一端子的光生电子降低了光电二极管112两端的电压。在曝光步骤(有时称为曝光间隔)结束时，光电二极管112两端的最终电压是VR-VT-VS，其中VS表示由于到达光电二极管112的第一端子的光生载流子导致的电压变化。因此，通过曝光间隔开始时的电压减去曝光间隔结束时的电压确定VSVS＝((VR-VT)-(VR-VT-VS))，其表示曝光间隔期间入射到光电二极管上的光子的数量。在曝光步骤之后的读出步骤期间，通过导通行选择晶体管118(其在复位和曝光步骤期间关断)读出有源像素传感器单元100。当行选择晶体管118导通时，光电二极管112上的电压(VR-VT-VS)(节点A的电势高于地)决定了读出晶体管116的栅极上的电压，其又决定了流过晶体管116和118的电流的大小。然后通过沿着位线(其通常是列线)连接的常规电流检测器(未示出)检测经过晶体管116和118的沟道的电流。常规有源像素传感器单元的一个缺点是在低亮度条件下它们通常工作很差。利用常规的基于胶片的照相机，可以在宽范围内(例如，从捕获移动目标的图像的千分之一秒到在非常低的亮度条件下，例如在夜间捕获目标的图像的几秒)调节打开快门的时间量。然而，利用常规的有源像素传感器单元，其中单元可以曝光于光能量的最大曝光间隔通常在毫秒级。这是因为光电二极管中的漏电流(被称为暗电流)可以在该振幅的时间间隔中将曝光间隔开始时的光电二极管两端的初始电压下拉到(或者接近于)零。这种漏电流被称为“暗电流”，因为漏电流可以将初始光电二极管电压下拉到(或者接近于)零，即使当没有光子入射在光电二极管上时。因此，当在曝光周期期间常规有源像素传感器单元曝光于光子时，初始光电二极管电压响应入射光子以及暗电流而降低。当曝光周期足够短时，相对于光生电荷降低光电二极管电压的量，暗电流将光电二极管电压仅仅降低了可忽略的量。然而，当曝光周期足够长时(例如，在毫秒级)，因为相对于光生电荷降低光电二极管电压的量，在曝光周期期间暗电流将光电二极管电压降低了不可忽略的量，所以不能精确地感测入射的光子。如果(典型地)当以毫秒级(或者更长)的曝光周期运行时，有源像素传感器单元不能提供精确的结果，则当在低亮度条件下运行时该传感器单元不是有用的。需要成像单元可以以比常规有源像素传感器单元更长的曝光周期精确地运行，使得它可以在低亮度条件下精确地感测入射辐射。
技术实现思路
在实施例类别中，本专利技术是包括至少一个光电二极管和复位电路以及耦接到该光电二极管的集成变容二极管的有源像素传感器单元。配置复位电路以在包括N个子曝光间隔的曝光间隔期间多次复位光电二极管，其中2N(通常，N大于100)，因此可以在每一个子曝光间隔之前复位(在复位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有源像素传感器单元，包括：至少一个光电二极管，其被配置成在包括至少两个子曝光间隔的曝光间隔期间曝光于光子；复位电路，其耦接到光电二极管；和集成变容二极管，其耦接在光电二极管和存储节点之间，并被配置使得在曝光间隔期 间曝光电荷积累在存储节点处。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-8 10/863,0581.一种有源像素传感器单元，包括至少一个光电二极管，其被配置成在包括至少两个子曝光间隔的曝光间隔期间曝光于光子；复位电路，其耦接到光电二极管；和集成变容二极管，其耦接在光电二极管和存储节点之间，并被配置使得在曝光间隔期间曝光电荷积累在存储节点处。2.如权利要求1的单元，其中光电二极管具有第一节点，变容二极管耦接在第一节点和存储节点之间，该单元在第一节点处具有第一电容，该变容二极管在存储节点处提供变容二极管电容，以及该变容二极管电容比第一电容大得多。3.如权利要求1的单元，其中复位电路被配置用以在复位间隔序列的每一个期间复位光电二极管，复位间隔的每一个在子曝光间隔的不同的一个之前，并且光电二极管被配置使得在每一个子曝光间隔期间子曝光电荷积累在第一节点处，其中复位间隔相对于子曝光间隔足够短，并且变容二极管电容相对于第一电容足够大，使得在子曝光间隔的最后一个结束时的曝光电荷表示在所有子曝光间隔期间积累在第一节点处的子曝光电荷的总和。4.如权利要求1的单元，其中光电二极管具有第一节点，复位电路是具有耦接到第一节点的沟道端子的MOS晶体管，以及变容二极管耦接在第一节点和存储节点之间。5.如权利要求4的单元，其中第一节点是光电二极管的非接地端子。6.如权利要求1的单元，还包括输出电路，其耦接到存储节点和输出节点，并被配置用于在输出节点处确定表示存储节点的电势的输出信号。7.如权利要求6的单元，其中输出电路包括具有耦接到存储节点的栅极的MOS晶体管。8.如权利要求1的单元，还包括输出电路，其耦接到存储节点和输出节点，并被配置用于在输出节点处确定表示存储节点上的电荷的输出信号。9.如权利要求1的单元，其中变容二极管是场效应、选通结器件。10.如权利要求9的单元，其中光电二极管具有第一节点，复位电路是具有耦接到第一节点的沟道端子的晶体管，以及变容二极管是其沟道耦接在第一节点和存储节点之间的MOS晶体管。11.如权利要求9的单元，其中在该单元的工作期间偏置变容二极管，使得变容二极管的源区和漏区中的一个在存储节点处提供变容二极管电容。12.如权利要求11的单元，其中变容二极管是NMOS晶体管，其在该单元的工作期间被偏置使得所述变容二极管的漏区在存储节点处提供变容二极管电容。13.一种用于使用有源像素传感器单元来产生表示存储节点上的电荷和电势中的一个的曝光信号的方法，其中该单元具有至少一个光电二极管、耦接到光电二极管的复位电路、和耦接在光电二极管的第一节点和存储节点之间的集成变容二极管，所述方法包括以下步骤在包括子曝光间隔序列的曝光间隔期间将光电二极管曝光于光子；以及在复位间隔序列的每一个期间复位光电二极管，以在每个复位间隔结束时设置所述光电二极管两端的预定电压，其中每个复位间隔在子曝光间隔的不同的一个之前，由此在每个子曝光间隔期间子曝光电荷积累在第一节点处，以及在曝光间隔期间对存储节点处的变容二极管电容充电。14.如权利要求13的方法，其中该单元在第一节点处具有第一电容，变容二极管在存储节点处提供变容二极管电容，以及变容二极管电容比第一电容大得多，并且复位间隔相对于子曝光间隔足够短，以及变容二极管电容相对于第一电容足够大，使得在子曝光间隔的最后一个结束时的曝光电荷表示在所有子曝光间隔期间积累在第一节点处的子曝光电荷的总和。15.如权利要求13的方法，其中光电二极管具有暗电流时间，以及每个复位间隔和每个子曝光间隔具有比暗电流时间小得多的持续时间。16.如权利要求15的方法，其中暗电流时间是特征时间，其中如果没有复位所述光电二极管，则暗电流导致光电二极管两端的电压从V降低到fV，其中“V”是预定电压，以及“f”至少基本上等于0.85。17.如权利要求13的方法，其中光电二极管具有暗电流时间，每个复位间隔具有比暗电流时间小得多的持续时间，以及每个子曝光间隔具有小于暗电流时间的持续时间。18.如权利要求17的方法，其中暗电流时间在毫秒的数量级，每个子曝光间隔具有在微秒数量级的持续时间，以及每个复位间隔具有小于每个子曝光间隔的持续时间的持续时间。19.如权利要求18的方法，其中子曝光间隔的序列包括至少一千个子曝光间隔。20.如权利要求18的方法，其中子曝光间隔的序列包括至少一百万个子曝光间隔。21.如权利要求17的方法，其中暗电流时间在毫秒的数量级，以及每个子曝光间隔具有在10-x秒的数量级的持续时间，其中5≤x≤8。22.如权利要求17的方法，其中暗电流时间是特征时间，其中如果没有复位所述光电二极管，则暗电流导致光电二极管两端的电压从V降低到fV，其中“V”是预定电压，以及“f”至少基本上等于0.85。23.一种用于读出有源像素传感器单元的方法，该单元具有存储节点、具有第一节点的至少一个光电二极管、和耦接在第一节点和存储节点之间的集成变容二极管，所述方法包括以下步骤在包括N个子曝光间隔序列的曝光间隔期间将光电二极管曝光于光子，其中2≤N，由此将子曝光电荷序列积累在第一节点处，其中在子曝光间隔的不同的一个期间由于光电二极管中的光产生每个子曝光电荷积累在第一节点处；在每个复位间隔序列期间复位光电二极管，每个复位间隔在子曝光间隔的不同的一个之前...

【专利技术属性】
技术研发人员：PJ霍珀，P林多菲尔，MW普尔特，Y米尔戈罗斯基，
申请(专利权)人：伊斯曼柯达公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]