【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體圖像傳感器，具體提供一種基于cmos工藝、尺寸可拓展的高速tdi圖像傳感器像素單元及圖像傳感器。
技術(shù)介紹
1、線陣圖像傳感器通常應(yīng)用于需要高速成像的領(lǐng)域，例如工業(yè)檢測(cè)，高速運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)，流水線產(chǎn)品檢測(cè)等。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。通常線陣圖像傳感器只有一行感光像素，每次曝光只能捕捉場(chǎng)景中的一條線，需要通過連續(xù)掃描才能獲得完整二維圖像。然而，在高速檢測(cè)應(yīng)用中，物體運(yùn)動(dòng)過快，曝光時(shí)間較短，產(chǎn)生有效信號(hào)少，信噪比低，即使增加光強(qiáng)也無法彌補(bǔ)信噪比損失。
2、為了增加線陣圖像傳感器的信噪比，需要增加高速運(yùn)動(dòng)物體的曝光時(shí)間，增強(qiáng)信號(hào)響應(yīng)能力，可以采用cmos?tdi（時(shí)間延遲積分）圖像傳感器像素。在tdi像素陣列中有多行像素，每行像素之間引入時(shí)間延遲，從而使像素逐行的曝光和物體的運(yùn)動(dòng)同步，物體的每一線都進(jìn)行了逐行積分，可以有效提升圖像傳感器的信噪比。與傳統(tǒng)ccd圖像傳感器中的行間轉(zhuǎn)移ccd像素不同，傳統(tǒng)ccd圖像傳感器通過一個(gè)光電二極管和多個(gè)多晶硅柵實(shí)現(xiàn)全局曝光功能，行間轉(zhuǎn)移ccd像素的光電二極管僅用于收集曝光信號(hào)，不可進(jìn)行持續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)移（否則會(huì)混疊上一幀正常存儲(chǔ)和讀出的信號(hào)），而多晶硅柵僅用來存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移上一幀信號(hào)，在曝光結(jié)束后，光電二極管的收集到的信號(hào)，需要一次性完全水平轉(zhuǎn)移至多晶硅柵中，該轉(zhuǎn)移在一次成像僅進(jìn)行一次。該過程無法實(shí)現(xiàn)tdi中電荷豎直轉(zhuǎn)移和物體移動(dòng)同步進(jìn)行的需求，因此無法實(shí)現(xiàn)tdi功能。此外，行間轉(zhuǎn)移ccd在轉(zhuǎn)移完成之后，其光電二極管進(jìn)行下一幀的曝光。而多晶硅柵在接收到有效信號(hào)之后，進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，在
3、現(xiàn)行的先進(jìn)tdi圖像傳感器，均采用標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝，可以實(shí)現(xiàn)高行頻，同時(shí)片上集成高速驅(qū)動(dòng)電路和讀取電路設(shè)計(jì)。cmos?tdi像素通常由一些多晶硅柵單元組成如圖1所示。設(shè)計(jì)合理的多晶硅柵間距和注入條件，實(shí)現(xiàn)電荷在豎直方向的高效轉(zhuǎn)移。在tdi工作中，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)，作用在多晶硅柵各相位上。在高速應(yīng)用中，時(shí)鐘信號(hào)需要快速建立，然而多晶硅柵引入的柵極電容較大，通常要加大驅(qū)動(dòng)電流，才能保證時(shí)各相位時(shí)鐘信號(hào)正常建立。因此高速tdi圖像傳感器通常具有較大的功耗，影響成像系統(tǒng)成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)為解決上述問題，提供了一種高速tdi圖像傳感器像素單元，采用多級(jí)梯形注入?yún)^(qū)結(jié)構(gòu)使得光電二極管的內(nèi)建電勢(shì)朝向多晶硅柵增高，可以有效增加電荷流向多晶硅柵的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提升光電二極管中電荷流向多晶硅柵的速度，在不增大驅(qū)動(dòng)電流的前提下可以實(shí)現(xiàn)更高速的tdi操作，有利于圖像傳感器的超高速低功耗應(yīng)用。并且通過對(duì)該像素單元進(jìn)行尺寸拓展以及排列組合，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的tdi像素，相比于傳統(tǒng)的tdi圖像傳感器像素，采用該像素單元的像素，更適合高速低功耗應(yīng)用。
2、一方面，本專利技術(shù)提供的高速tdi圖像傳感器像素單元，包括：多晶硅柵和埋溝道，以及與埋溝道沿水平方向排布的光電二極管，埋溝道設(shè)置在多晶硅柵的下方；光電二極管的有源區(qū)為梯形，且梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊與埋溝道連接，有源區(qū)外圍設(shè)有用于隔離相鄰像素單元的p阱區(qū)；
3、有源區(qū)包括沿梯形高度方向分布的n型注入?yún)^(qū)，埋溝道的內(nèi)建電勢(shì)高于有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)內(nèi)建電勢(shì)，且梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊位置的電勢(shì)高于短底邊位置的電勢(shì)。
4、優(yōu)選的，埋溝道包括第零n型注入?yún)^(qū)和第零p型注入?yún)^(qū)，第零p型注入?yún)^(qū)設(shè)置在第零n型注入?yún)^(qū)上表面。
5、優(yōu)選的，有源區(qū)包括至少兩個(gè)沿梯形高度方向分布、且沿梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊至短底邊內(nèi)建電勢(shì)依次遞減的n型注入?yún)^(qū)。
6、優(yōu)選的，有源區(qū)包括一個(gè)沿梯形高度方向分布的n型注入?yún)^(qū)。
7、優(yōu)選的，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與所述埋溝道的第零n型注入?yún)^(qū)為一體設(shè)計(jì)。
8、優(yōu)選的，有源區(qū)中，不同n型注入?yún)^(qū)沿梯形高度方向的長(zhǎng)度相等；或有源區(qū)中，至少存在兩個(gè)n型注入?yún)^(qū)沿梯形高度方向的長(zhǎng)度不相等。
9、優(yōu)選的，光電二極管的有源區(qū)為等腰梯形。
10、優(yōu)選的，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)上方設(shè)有p型注入?yún)^(qū)，通過調(diào)節(jié)p型注入?yún)^(qū)和/或n型注入?yún)^(qū)的注入條件，可改變內(nèi)建電勢(shì)。
11、優(yōu)選的，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與p型注入?yún)^(qū)數(shù)量相同，且相對(duì)位置一一對(duì)應(yīng)；或有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與p型注入?yún)^(qū)數(shù)量不同，且相對(duì)位置為非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
12、優(yōu)選的，在沿梯形高度方向上，多晶硅柵的長(zhǎng)度小于像素單元長(zhǎng)度的一半。
13、優(yōu)選的，埋溝道和有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)內(nèi)建電勢(shì)梯度需滿足：電荷由梯形有源區(qū)的短底邊水平流動(dòng)至埋溝道的時(shí)間小于電荷由埋溝道豎直流動(dòng)至多晶硅柵的時(shí)間的十分之一。
14、優(yōu)選的，還包括抗溢出結(jié)構(gòu)，抗溢出結(jié)構(gòu)包括抗溢出柵和抗溢出漏極，光電二極管最高電勢(shì)的n型注入?yún)^(qū)的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有抗溢出結(jié)構(gòu)。
15、優(yōu)選的，埋溝道的兩側(cè)設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的光電二極管。
16、另一方面，一種圖像傳感器，設(shè)有高速tdi圖像傳感器像素單元。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)能夠取得如下有益效果：
18、本專利技術(shù)在cmos?tdi圖像傳感器像素單元上增設(shè)光電二極管，減小了多晶硅柵的面積，降低了柵極電容，提升了tdi柵極驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力，可以在相同功耗下，實(shí)現(xiàn)更快速的tdi電荷轉(zhuǎn)移，也就是提升線陣行頻；或者說在相同的行頻應(yīng)用下，大幅度降低了功耗；此外，光電二極管采用梯形和多級(jí)n型注入?yún)^(qū)的組合設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了朝向多晶硅柵的階梯狀遞增電勢(shì)變化，提高了朝向多晶硅柵的電勢(shì)傾斜程度，可以使光電二極管收集到的電荷快速轉(zhuǎn)移至多晶硅柵，保證了光電二極管的引入不會(huì)產(chǎn)生圖像混疊的問題，在不增大驅(qū)動(dòng)電流的前提下，可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高速度應(yīng)用。
19、本專利技術(shù)設(shè)計(jì)了與多級(jí)n型注入?yún)^(qū)對(duì)應(yīng)的多級(jí)p型注入?yún)^(qū)，提高了內(nèi)建電勢(shì)的調(diào)節(jié)精度，避免信號(hào)滯留和像素滿阱的問題，便于tdi電荷快速、持續(xù)的流動(dòng)，便于和運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行速度匹配，在高度應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)良好的tdi功能。此外，由于光電二極管和p阱區(qū)交界處會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，降低光電二極管的內(nèi)建電勢(shì)，因此，還可以通過調(diào)節(jié)梯形有源區(qū)的短底邊的長(zhǎng)度，即調(diào)節(jié)梯形有源區(qū)的短底邊夾角，梯形有源區(qū)的短底邊越窄，邊緣效應(yīng)占比越大，電勢(shì)降低越多，可以進(jìn)一步使得電勢(shì)朝向多晶硅柵傾斜。
20、本專利技術(shù)中的像素單元可以進(jìn)行尺寸拓展以及不同像素單元的排列組合，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的tdi像素，相比于傳統(tǒng)的tdi圖像傳感器像素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，性能更好，靈活性更高。
21、本專利技術(shù)根據(jù)應(yīng)用需求，以增加抗溢出結(jié)構(gòu)，能夠有效提升像素抗溢出能力。
22、本專利技術(shù)在保持像素單元長(zhǎng)度不變的條件下，可以在多晶硅柵的兩側(cè)分別設(shè)置光電二極管，降低單側(cè)光電二極管的長(zhǎng)度，縮短單側(cè)電荷水平流動(dòng)距離，降低流動(dòng)時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)更高速的tdi操本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種高速TDI圖像傳感器像素單元，包括：多晶硅柵和埋溝道，所述埋溝道設(shè)置在所述多晶硅柵的下方，其特征在于，還包括與所述埋溝道沿水平方向排布的光電二極管，所述光電二極管的有源區(qū)為梯形，且梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊與所述埋溝道連接，有源區(qū)外圍設(shè)有用于隔離相鄰像素單元的P阱區(qū)；
2.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述埋溝道包括第零n型注入?yún)^(qū)和第零p型注入?yún)^(qū)，所述第零p型注入?yún)^(qū)設(shè)置在所述第零n型注入?yún)^(qū)上表面。
3.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)包括至少兩個(gè)沿梯形高度方向分布、且沿梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊至短底邊內(nèi)建電勢(shì)依次遞減的n型注入?yún)^(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)包括一個(gè)沿梯形高度方向分布的n型注入?yún)^(qū)。
5.如權(quán)利要求2所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與所述埋溝道的第零n型注入?yún)^(qū)為一體設(shè)計(jì)。
6.如權(quán)利要求3所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)中，不同n型注入?yún)^(qū)沿梯形高度方向
7.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述光電二極管的有源區(qū)為等腰梯形。
8.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)上方設(shè)有p型注入?yún)^(qū)，通過調(diào)節(jié)p型注入?yún)^(qū)和/或n型注入?yún)^(qū)的注入條件，可改變內(nèi)建電勢(shì)。
9.如權(quán)利要求3所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與p型注入?yún)^(qū)數(shù)量相同，且相對(duì)位置一一對(duì)應(yīng)；或有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與p型注入?yún)^(qū)數(shù)量不同，且相對(duì)位置為非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
10.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，在沿梯形高度方向上，所述多晶硅柵的長(zhǎng)度小于像素單元長(zhǎng)度的一半。
11.如權(quán)利要求3所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述埋溝道和有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)內(nèi)建電勢(shì)梯度需滿足：電荷由梯形有源區(qū)的短底邊水平流動(dòng)至所述埋溝道的時(shí)間小于電荷由所述埋溝道豎直流動(dòng)至所述多晶硅柵的時(shí)間的十分之一。
12.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，還包括抗溢出結(jié)構(gòu)，所述抗溢出結(jié)構(gòu)包括抗溢出柵和抗溢出漏極，所述光電二極管最高電勢(shì)的n型注入?yún)^(qū)的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有所述抗溢出結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求1所述的高速TDI圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述埋溝道的兩側(cè)設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的所述光電二極管。
14.一種圖像傳感器，其特征在于，設(shè)有如權(quán)利要求1至13任意一項(xiàng)所述的高速TDI圖像傳感器像素單元。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種高速tdi圖像傳感器像素單元，包括：多晶硅柵和埋溝道，所述埋溝道設(shè)置在所述多晶硅柵的下方，其特征在于，還包括與所述埋溝道沿水平方向排布的光電二極管，所述光電二極管的有源區(qū)為梯形，且梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊與所述埋溝道連接，有源區(qū)外圍設(shè)有用于隔離相鄰像素單元的p阱區(qū)；
2.如權(quán)利要求1所述的高速tdi圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述埋溝道包括第零n型注入?yún)^(qū)和第零p型注入?yún)^(qū)，所述第零p型注入?yún)^(qū)設(shè)置在所述第零n型注入?yún)^(qū)上表面。
3.如權(quán)利要求1所述的高速tdi圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)包括至少兩個(gè)沿梯形高度方向分布、且沿梯形有源區(qū)的長(zhǎng)底邊至短底邊內(nèi)建電勢(shì)依次遞減的n型注入?yún)^(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的高速tdi圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)包括一個(gè)沿梯形高度方向分布的n型注入?yún)^(qū)。
5.如權(quán)利要求2所述的高速tdi圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)的n型注入?yún)^(qū)與所述埋溝道的第零n型注入?yún)^(qū)為一體設(shè)計(jì)。
6.如權(quán)利要求3所述的高速tdi圖像傳感器像素單元，其特征在于，有源區(qū)中，不同n型注入?yún)^(qū)沿梯形高度方向的長(zhǎng)度相等；或有源區(qū)中，至少存在兩個(gè)n型注入?yún)^(qū)沿梯形高度方向的長(zhǎng)度不相等。
7.如權(quán)利要求1所述的高速tdi圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述光電二極管的有源區(qū)為等腰梯形。
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：阿薩夫·拉哈夫，周泉，皮埃爾·布朗克，郭思語，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：杭州長(zhǎng)光辰芯微電子有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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