具有低暗電流光電二極管的像素傳感器制造技術

公開了一種降低ＣＭＯＳ成像器件中熱生暗電流的方法與裝置。成像器件中的光電二極管被維持在零偏置，從而使光電二極管兩端的電壓相等。利用一些不同的技術來實現這樣的零偏置，可供選擇的包括：工作在其亞閾值電平的三極管；泄漏二極管；短溝道ＭＯＳＦＥＴ；或斜坡電荷注入。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及用于抑制無用的熱生電流的技術，具體地說，涉及對成像器件的像素中的熱生暗電流的抑制。
技術介紹
暗電流是指由成像器件的像素在即使沒有光信號的情形下產生的無用信號。暗電流的一個來源是熱生能量。在CMOS有源像素成像器件中，熱生暗電流(thermally genera ted dark current)在許多成像應用中呈現問題。例如，某些汽車中的應用要求在溫度介于60至80攝氏度的范圍內穩定的像素性能。當溫度升高時，暗電流也同樣增加。另外，某些數碼照相機要求不斷增加的積分時間，從而能夠得到對光電流的更高靈敏度。然而，積分時間越長，對熱生暗電流的靈敏度也越高。于是，存在對抑制熱生暗電流產生的電路的需求。專利技術概要在一個方面，本專利技術提供一種成像像素，它具有用于響應入射的光能而在第一節點產生電信號的光電轉換器件；用于在第一節點接收電信號并從其中產生像素輸出信號的電路；用于向所述光電轉換器件的第二節點提供所述輸出信號的電路路徑。所述電路路徑在光電轉換器件兩端產生零凈偏置，以減少熱生暗電流的產生。在不同的實施例中，所述電路可以是電壓跟隨器電路或源極跟隨器電路。在另一個方面，本專利技術提供操作像素單元以便在光電轉換器件兩端提供零偏置從而減少熱生暗電流的方法。從以下結合附圖提供的詳細說明中將更好地理解本專利技術的這些和其它特征及優點。附圖的簡單說明附圖說明圖1為本專利技術的第一實施例的原理圖；圖2為本專利技術的第二實施例的原理圖；圖3為圖1及圖2中的光電二極管的剖面圖；圖4為本專利技術的第三實施例的原理圖；圖4A為圖4中泄漏二極管的原理圖；圖5為本專利技術的第四實施例的原理圖；圖6為本專利技術的第五實施例的原理圖；圖7為本專利技術的第六實施例的原理圖；圖8為本專利技術的讀出部分的NMOS實現方案的原理圖；圖9為本專利技術的讀出部分的PMOS實現方案的原理圖；圖10為本專利技術的第七實施例的原理圖；圖11為圖10中的電路的時序圖；圖12為圖10中的電路的放大了的時序圖；以及圖13為圖10中的電路的進一步放大了的時序圖。本專利技術的詳細說明圖1展示了依照本專利技術的第一實施例的像素單元100，它包括具有連接到復位開關三極管108的電荷累積節點A的光電二極管104，所述復位開關三極管的另一側連接到電壓源VDD；電容CPIXEL，它連接到節點A和電壓源VDD之間；輸出電路120，它配置成連接到節點A的電壓跟隨器并提供像素輸出信號。電路100是運算放大器120，正輸入端連接到節點A而其負輸入端連接到放大器120的輸出端，所述負輸入端還連接到光電二極管104的與節點A相反的另一端。在復位三極管108中，中間箭頭表示三極管108的在其源極與漏極之間的部分112(稱為塊體基片(bulk substrate))具有連接到那里的電連接線。在像素100中塊體基片由跟隨節點116的VPIXEL的差分放大器120驅動。通過在光電二極管104兩端加零伏偏置電壓來消除無用的熱電流。盡管電容CPIXEL被展示為連接到VDD，但它也可連接到地或不同于VDD的其它電壓源。因為施加在光電二極管104兩端的電壓總是被差分放大器120維持在零伏，所以光電二極管104的電容不影響電荷轉換增益。因此，圖1電路的轉換增益主要由CPIXEL的值來確定。圖1的電路以如下方式工作。節點A的像素電壓VPIXEL通過復位三極管108被初始化為復位電壓，并且這個數值被有選擇性地從放大器120的輸出(OUT)節點讀出而送給采樣保持電路。在復位以后，光電二極管104在節點A產生被存儲在電容CPIXEL中的積分電荷信號。這個信號同樣被選擇性地讀出而送給采樣保持電路。光電二極管104的結偏置在復位和電荷積分時段內被電壓跟隨放大器120的輸出維持在零，所述輸出連接到光電二極管104的背端，即與節點A相反的那一側。因為光電二極管的結為零偏置，所以沒有凈電流流過光電二極管104而產生暗電流。另外，復位三極管108的基片也接收放大器120的輸出。以這種方式，所有連接到圖1中積分節點A的結都為零偏置，因此熱泄漏被抑制。另外，實現了高轉換增益以及由此而得的高靈敏度，因為這些完全是由增益電容器CPIXEL所決定的。圖2中示出本專利技術的第二實施例，其中使用了源極跟隨器電路212來代替圖1中的電壓跟隨器電路120。源極跟隨器電路包括連接到電流源208并且具有連接到節點A的柵極的零閾值三極管204。像素200與像素100不同，其區別在于像素200提供緩沖放大器216，所述緩沖放大器的輸出端沒有繞回來連接到光電二極管104的背端。然而，光電二極管兩端的電壓仍被保持在零伏，這次是由源極跟隨器212來實現的，它的輸出端連接到光電二極管104的背端以及緩沖放大器216的輸入端。零閾值三極管204的閾值電壓為零，從而使得源極跟隨器200總是提供對應于在節點220的輸入電壓的輸出電壓給光電二極管104的背端。所述三極管通過控制在三極管204的柵極下面的雜質濃度而維持零閾值，這種方法也稱為柵極注入法。三極管204的源極連接到所述三極管的塊體基片，因此消除了”體效應(body effect)”并且在源極跟隨器電路212中保持良好的具有單位增益的線性度。于是，源極跟隨器電路212能夠總是保持光電二極管104兩端的零偏置，而與任何電荷累積狀態無關。圖3展示了像素200在半導體基片中的剖面示意圖。如圖3所示，光電二極管的N+電荷收集區域以及三極管204的柵極和三極管224的漏極連接到積分節點A。另外，三極管204的漏極既向緩沖放大器216提供輸又通過設置在P型阱305內的P+區域連接到P型阱305。P型阱305形成光電二極管104的背端。P型阱305形成在N型基片上。為了在光電二極管104兩端為零偏置的情形下提高光電二極管104的靈敏度，局部地降低了光電二極管N+電荷收集區域306下面的摻雜劑濃度，使得在低濃度區域306所產生的電子通過載流子擴散過程被聚集到N+電荷收集區域。圖2和圖3的配置提供大動態范圍以及極好的線性度。盡管圖3展示了溝槽隔離區域308和312(也稱為STI區域)，但也可使用其它的隔離方法，如n型阱隔離或局部氧化硅(LOCOS)。溝槽隔離(STI)區域308和312通過刻蝕出溝槽并填入絕緣體如氧化物而形成，而絕緣體則協助將每個單獨的像素隔離開來。在三極管204的右側，n+漏極區域和p+型阱控制區域304重疊在一起。光電二極管104所在的P型阱區域305由源極跟隨器電路212驅動，以跟隨電容CPIXEL上的信號積分。以這種方式，阱區域304起光電二極管的保護裝置的作用并由電壓跟隨放大器120驅動，因此有”保護驅動”光電二極管的說法。人們期望將流過電流源208的電流維持為盡可能低，以便將圖像功率消耗減至最小，因為每個單獨的像素都需要一個電流源208。因此，對于一百萬像素的陣列，如果總電流消耗為1毫安就需要使電流小于1納安/像素。于是，就需要數千兆歐的等效電阻。然而，要利用傳統的電阻材料如擴散層或多晶硅層取得這樣高的電阻值是很困難的。為了解決這個問題，圖4展示了具有泄漏二極管404形式的電流源的電路400。二極管404的陷阱濃度可以通過在生產過程中增加二極管404的結中所含的中性粒子雜質或陷阱440的數量來提高，從而反過來也影響流過的反向偏置本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種成像像素，它包括：光轉換器件，用于響應入射的光能而在其第一節點產生電信號；電路，用于在所述第一節點接收所述電信號并從其中產生像素輸出信號；以及電路路徑，用于把代表所述輸出信號的信號提供給所述光電轉換器件的第二節點 。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：I塔卡亞納吉，J納卡穆拉，
申請(專利權)人：微米技術有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]