一種cmos圖像傳感器像素的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種CMOS圖像傳感器像素，包括第一光電二極管、第二光電二極管，第一光電二極管和第二光電二極管分別連接有第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管共用一個(gè)漂浮有源區(qū)。第一光電二極管和第二光電二極管的上方分別設(shè)有第一微透鏡和第二微透鏡。第一光電二極管和第二光電二極管的上方與第一微透鏡和第二微透鏡的下方之間設(shè)有彩色濾光片。壓縮強(qiáng)光照明時(shí)的像素感光靈敏度，拓展像素的感光動(dòng)態(tài)范圍，能克服線性圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn)，采集到更多高照明環(huán)境的圖像細(xì)節(jié)信息。
【專利說(shuō)明】一種CMOS圖像傳感器像素

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器像素。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器使用感光像素陣列中的感光元件采集圖像信息，將像素圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為像素光電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)圖像信號(hào)處理操作還原每個(gè)像素的真實(shí)圖像信息。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素，以CMOS圖像傳感器像素為例，一個(gè)像素只設(shè)置有一個(gè)感光元件，如圖1所示；圖1中，101為光電二極管，102為電荷傳輸晶體管，103為漂浮有源區(qū)，104為復(fù)位晶體管，105為源跟隨晶體管，106為選擇晶體管，Vdd為電源電壓。圖1中的像素結(jié)構(gòu)中，只使用一個(gè)光電二極管，光電二極管上方的切面結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
[0004]圖2為圖1所示切線位置的切面結(jié)構(gòu)示意圖；其中201為光電二極管，與圖1中的101對(duì)應(yīng)，置于半導(dǎo)體基體中，202為絕緣介質(zhì)層，203為彩色濾光片，204為微透鏡，STI為淺槽隔離區(qū)。由此可知，現(xiàn)有技術(shù)中的光電二極管上方只設(shè)置一個(gè)微透鏡。
[0005]上述圖像傳感器像素采集圖像信息的過(guò)程是，光線從204上方入射，依次穿過(guò)204、203、202，到達(dá)201，光電二極管接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電電荷；開啟晶體管102，將光電二極管中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)103后，由晶體管105所探測(cè)到的103區(qū)內(nèi)的電勢(shì)變化信號(hào)經(jīng)輸出端讀取并保存。其中，在103區(qū)內(nèi)的光電電荷量與入射光照量成正t匕，103區(qū)在電荷轉(zhuǎn)移前后的電荷變化信息被晶體管105探測(cè)到并轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化，此電勢(shì)變化量，即信號(hào)量，與光照量成正比關(guān)系。該類圖像傳感器的光電響應(yīng)是線性的，在本領(lǐng)域內(nèi)被稱為線性傳感器。
[0006]上述線性傳感器所探測(cè)到的光照量范圍小，特別是高照明環(huán)境下無(wú)法辨認(rèn)出實(shí)物信息，不能夠采集從暗光線環(huán)境變化到強(qiáng)光線環(huán)境下的全部信號(hào)，在業(yè)內(nèi)稱為動(dòng)態(tài)范圍小，從而降低了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的目的是提供一種輸出圖像品質(zhì)高的CMOS圖像傳感器像素。
[0008]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器像素，包括第一光電二極管、第二光電二極管，所述第一光電二極管和第二光電二極管分別連接有第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管共用一個(gè)漂浮有源區(qū)。
[0010]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器像素，由于包括兩個(gè)光電二極管和電荷傳輸晶體管，兩個(gè)電荷傳輸晶體管共用一個(gè)漂浮有源區(qū)，壓縮強(qiáng)光照明時(shí)的像素感光靈敏度，拓展像素的感光動(dòng)態(tài)范圍，能克服線性圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn)，采集更多高照明環(huán)境的圖像細(xì)節(jié)信息。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器像素切面示意圖。
[0013]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器像素切面示意圖。
[0015]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器像素感光時(shí)的勢(shì)阱示意圖。
[0016]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的CMOS圖像傳感器像素的光電響應(yīng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0018]本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器像素，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0019]包括第一光電二極管、第二光電二極管，所述第一光電二極管和第二光電二極管分別連接有第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管共用一個(gè)漂浮有源區(qū)。
[0020]所述第一光電二極管和第二光電二極管的上方分別設(shè)有第一微透鏡和第二微透鏡。
[0021]所述第一光電二極管和第二光電二極管的上方與所述第一微透鏡和第二微透鏡的下方之間設(shè)有彩色濾光片。
[0022]所述第一光電二極管的面積小于或等于第二光電二極管的面積。
[0023]所述第二微透鏡平面面積是第一微透鏡平面面積的0.2?0.8倍。
[0024]所述第一電荷傳輸晶體管的柵極與第二電荷傳輸晶體管的柵極相互連接，所述第一電荷傳輸晶體管的漏極端與第二電荷傳輸晶體管的漏極端相互連接。
[0025]所述彩色濾光片為紅色濾光片、綠色濾光片、藍(lán)色濾光片中的其中一種。
[0026]所述第一光電二極管和第二光電二極管為Pin型光電二極管、部分Pin型光電二極管或多晶硅柵型光電二極管。
[0027]所述第一光電二極管和第二光電二極管為N型光電二極管或P型光電二極管。
[0028]本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器像素，壓縮強(qiáng)光照明時(shí)的像素感光靈敏度，拓展像素的感光動(dòng)態(tài)范圍，能克服線性圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn)。
[0029]本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器像素中，第一光電二極管先飽和，第二光電二極管后飽和，第一光電二極管飽和前像素的感光靈敏度高于飽和后的感光靈敏度；因此，本實(shí)用新型的圖像傳感器像素壓縮了強(qiáng)光照明像素的感光靈敏度，拓展了像素的動(dòng)態(tài)范圍。采用本實(shí)用新型像素的圖像傳感器采集到了更多高照明環(huán)境的圖像細(xì)節(jié)信息。
[0030]具體實(shí)施例:
[0031]為了提高圖像傳感器輸出圖像的質(zhì)量，本實(shí)用新型從改善現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)入手，本實(shí)用新型像素結(jié)構(gòu)中設(shè)置兩個(gè)光電二極管，兩個(gè)光電二極管的面積可以相同也可以不相同，并且兩個(gè)光電二極管上方分別設(shè)置微透鏡，兩個(gè)微透鏡的平面面積不相同，因此所匯集的光照量不同，則兩個(gè)光電二極管中一個(gè)會(huì)先于令一個(gè)飽和。其中一個(gè)光電二極管先飽和前，像素的感光靈敏度較高；而飽和后，飽和光電二極管就不會(huì)繼續(xù)收集光電電荷，只有未飽和光電二極管會(huì)收集光電電荷，所以，像素的整體感光靈敏度會(huì)降低。
[0032]下面以四晶體管像素結(jié)構(gòu)為例，加以詳細(xì)闡述:
[0033]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素，如圖3所示；圖3中，301為第一光電二極管，302為第二光電二極管，303為301對(duì)應(yīng)的電荷傳輸晶體管,304為302對(duì)應(yīng)的電荷傳輸晶體管，305為漂浮有源區(qū)，306為復(fù)位晶體管，307為源跟隨晶體管，308為選擇晶體管；其中，Vdd為電源電壓，切線I位置和切線2位置為位置標(biāo)記。圖3中，303和304晶體管的柵極相互連接在一起，303的源極端為301，304的源極端為302，303和304的漏極端共用305 ;光電二極管301的平面的面積小于等于光電二極管302的平面面積，因此，301所能容納的電荷量小于等于302所能容納的電荷量，在相同光照量情況下，301更容易先達(dá)到飽和。
[0034]圖4示出的是圖3所示切線I位置的縱向切面結(jié)構(gòu)圖，401為對(duì)應(yīng)301的光電二極管，402為對(duì)應(yīng)302的光電二極管，401和402都置于半導(dǎo)體基體中，403為絕緣介質(zhì)層，404為彩色濾光片，405為401上方的微透鏡，406為402上方的微透鏡，STI為淺槽隔離區(qū)。其中，405的平面面積大于406的平面面積,406的平面面積是405平面面積的0.2?0.8倍，所以405比406能夠匯聚到更多的光線；401的平面面積小于等于402的平面面積，402比401能容納更多光電電荷；404的彩色濾光片，為紅色、綠色、藍(lán)色濾光片中的其中一種。
[0035]本實(shí)用新型的圖像傳感器像素在收集光電電荷時(shí)的勢(shì)阱示意圖如圖5所示。圖5所示的勢(shì)阱為圖3所示的切線2位置的勢(shì)阱，其中501為第一光電二極管的勢(shì)阱示意圖，與301和401對(duì)應(yīng)；502為第二光電二極管的勢(shì)阱示意圖，與302和402對(duì)應(yīng)；505為漂浮有源區(qū)的勢(shì)阱示意圖，與305對(duì)應(yīng)。圖5中，光線從上方入射，分別被405或406接受匯聚，405的平面面積比406的平面面積大，所以405比406能接受到更多的光線；光線依次穿過(guò)圖4所示的404和403層，最終到達(dá)光電二極管區(qū)域，入射光被光電二極管吸收，轉(zhuǎn)換化為光電電荷。501區(qū)，由于接受到了較多的入射光，產(chǎn)生了較多的光電電荷，501勢(shì)講區(qū)被電荷填滿，所以像素繼續(xù)曝光時(shí)501不再收集光電電荷；502勢(shì)阱區(qū)，接受的入射光照量比501少，并且502區(qū)能容納的電荷數(shù)量比501區(qū)多，所以502需要更多的像素曝光量才能飽和。501飽和前，像素的靈敏度等于501和502的靈敏度之和；501飽和后，502可繼續(xù)曝光收集光電電荷，此時(shí)像素的感光靈敏度等于502的靈敏度。
[0036]本實(shí)用新型圖像傳感器像素的光電響應(yīng)特性如圖6所示。圖6中，水平軸為像素的曝光量，此曝光量等于第一光電二極管和第二光電二極管的曝光量之和；豎直軸為像素的信號(hào)量，此信號(hào)量等于第一光電二極管和第二光電二極管收集到電荷量之和。圖6中，示出了本實(shí)用新型像素中的第一光電二極管和第二光電二極管的光電響應(yīng)曲線關(guān)系圖，也示出了本實(shí)用新型的像素和現(xiàn)有技術(shù)的像素的光電響應(yīng)曲線關(guān)系圖。本實(shí)用新型像素中的第一光電二極管靈敏度高，在像素曝光量為El時(shí)飽和，第二光電二極管靈敏度低，在像素曝光量E2處飽和，第一光電二極管和第二光電二極管合成的像素的光電響應(yīng)曲線在E2處飽和；現(xiàn)有技術(shù)中的像素響應(yīng)曲線與本實(shí)用新型像素的響應(yīng)曲線在曝光小于El時(shí)重合在一起，現(xiàn)有技術(shù)中的像素光電響應(yīng)曲線在曝光量Er處飽和。由此可見，本實(shí)用新型的像素拓展的像素曝光量范圍是Er?E2，此曝光區(qū)間，現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器像素是不能探測(cè)到的，而本實(shí)用新型的像素可以探測(cè)到此區(qū)域的圖像信息。因此，本實(shí)用新型的圖像傳感器像素拓展了感光動(dòng)態(tài)范圍，采用本實(shí)用新型像素的圖像傳感器采集到了更多高照明環(huán)境的圖像細(xì)節(jié)信息，因而提升了圖像傳感器采集的圖像品質(zhì)。
[0037]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS圖像傳感器像素,其特征在于,包括第一光電二極管、第二光電二極管,所述第一光電二極管和第二光電二極管分別連接有第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管共用一個(gè)漂浮有源區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一光電二極管和第二光電二極管的上方分別設(shè)有第一微透鏡和第二微透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一光電二極管和第二光電二極管的上方與所述第一微透鏡和第二微透鏡的下方之間設(shè)有彩色濾光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一光電二極管的面積小于或等于第二光電二極管的面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第二微透鏡平面面積是第一微透鏡平面面積的0.2?0.8倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一電荷傳輸晶體管的柵極與第二電荷傳輸晶體管的柵極相互連接，所述第一電荷傳輸晶體管的漏極端與第二電荷傳輸晶體管的漏極端相互連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6任一項(xiàng)所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述彩色濾光片為紅色濾光片、綠色濾光片、藍(lán)色濾光片中的其中一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一光電二極管和第二光電二極管為Pin型光電二極管、部分Pin型光電二極管或多晶硅柵型光電二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第一光電二極管和第二光電二極管為N型光電二極管或P型光電二極管。
【文檔編號(hào)】H04N5/374GK204180172SQ201420463441
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司