本發(fā)明涉及半導體制造領(lǐng)域，特別涉及圖像傳感器及圖像傳感器的像素信號采集方法。

背景技術(shù)：

圖像傳感器是把光學圖像信息轉(zhuǎn)化成電信號的器件，傳統(tǒng)的固態(tài)圖像傳感器可包括CCD(電荷耦合裝置)圖像傳感器和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器兩大類。其中CMOS圖像傳感器由于在像素陣列中采用了有源像素傳感器，且采用CMOS集成電路工藝制程，可將像素陣列光敏結(jié)構(gòu)和其他CMOS模擬、數(shù)字電路集成到同一塊芯片上。高度集成不但減少整機芯片數(shù)量，降低整機功耗和封裝成本，而且芯片內(nèi)部直接信號連接還有利于信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度，從而提高圖像轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。因此，CMOS圖像傳感器是市場上的主流技術(shù)。

目前，新興的圖像傳感器采用量子點(quantum dot)材料制成，其探測波長隨量子點大小可調(diào)，同時具有較高的響應度，如現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器，通過接觸電極收集量子點的電荷信息，從而獲得圖像信息。相比傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器，量子點圖像傳感器具有靈敏度高，串擾小，填充率高，快門速度快等優(yōu)勢。在圖像傳感器中的一個重要指標是動態(tài)范圍，動態(tài)范圍小則感光范圍小，在高光強是容易過曝光，通常傳感器的光電響應度靈敏度越高，則低光成像越好，但高光強越容易過曝光。

因此，圖像傳感器的動態(tài)范圍不足是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的一個技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種圖像傳感器及其制作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的動態(tài)范圍不足問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種圖像傳感器，包括襯底、接觸電極和量子點層，所述襯底中設(shè)置有讀出電路單元，所述讀出電路單元包含傳輸管和溢出電容，所述溢出電容通過一溢出電容選擇管連接所述傳輸管，所述溢出電容選擇管的漏極連接所述傳輸管的漏極，所述溢出電容選擇管的源極連接所述溢出電容，所述溢出電容選擇管的柵極連接電容選擇信號，所述傳輸管的柵極連接傳輸信號，所述接觸電極設(shè)置在所述襯底上，所述接觸電極連接所述傳輸管的源極，所述量子點層覆蓋所述接觸電極設(shè)置在所述襯底上。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述傳輸管的源極連接一節(jié)點電容，所述傳輸管的漏極連接一懸浮電容。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述讀出電路單元還包含復位管和行選擇管，所述復位管的漏極連接重置電壓源，所述復位管的源極連接所述傳輸管的漏極，所述復位管的柵極連接重置信號，所述行選擇管的源極連接信號輸出端，所述行選擇管的漏極連接所述傳輸管的漏極，所述行選擇管的柵極連接行選擇信號。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述行選擇器的漏極通過一源隨器連接所述傳輸管的漏極，所述源隨器的漏極連接一源隨電壓源，所述源隨器的源極連接行選擇管的漏極，所述源隨器的柵極連接所述傳輸管的漏極。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述量子點層上設(shè)置有上電極，所述上電極的材料包括氧化銦錫、氟化氧化錫或鋁氧化鋅，所述上電極的厚度為50nm～500nm。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述上電極上設(shè)置有鈍化層，所述鈍化層，所述鈍化層的材料包括二氧化硅或氮化硅，所述鈍化層上設(shè)置有濾光片和透鏡。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述量子點層的材料包括CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP中一種及其組合，所述量子點層中量子點的半徑為2nm～10nm，所述量子點之間的間距小于等于0.5nm。

可選的，在所述圖像傳感器中，所述接觸電極的材料包括功函數(shù)大于4.8eV的高功函數(shù)材料和功函數(shù)小于4.4eV的低功函數(shù)材料，所述高功函數(shù)材料包括金、鎢、銅、氧化銦錫、氟化氧化錫或氮化鈦中一種及其組合，所述低功函數(shù)材料包括鋁、鎂或氮化鉭中一種及其組合，所述接觸電極的厚度為20nm～500nm。

本發(fā)明還包括一種圖像傳感器的像素信號采集方法，所述圖像傳感器采用上述圖像傳感器，所述圖像傳感器的像素信號采集方法包括：

關(guān)閉復位管、行選擇管和傳輸管，打開溢出電容選擇管，使溢出電容與懸浮電容相連；

打開傳輸管，使節(jié)點電容、懸浮電容及溢出電容相連，再打開復位管，將節(jié)點電容、懸浮電容和溢出電容都充滿電荷，然后關(guān)閉復位管和傳輸管；

打開行選擇管，讀出第二噪聲，然后關(guān)閉行選擇管；

曝光，節(jié)點電容中電荷通過接觸電極在量子點層流失；

將溢出電容選擇管關(guān)閉后，打開復位管，將懸浮電容充滿電荷，再關(guān)閉復位管；

打開行選擇管，讀出第一噪聲；

打開傳輸管，使節(jié)點電容的電荷與懸浮電容的電荷中合后，再關(guān)閉傳輸管，讀出第一采樣信號；

打開溢出電容選擇管，使溢出電容的電荷與懸浮電容的電荷中合后，讀出第二采樣信號。

本發(fā)明還包括另一種圖像傳感器的像素信號采集方法，所述圖像傳感器采用上述圖像傳感器，所述圖像傳感器的像素信號采集方法包括：

關(guān)閉復位管、行選擇管和傳輸管，打開溢出電容選擇管，使溢出電容與懸浮電容相連；

打開傳輸管，使節(jié)點電容、懸浮電容及溢出電容相連，再打開復位管，將節(jié)點電容、懸浮電容和溢出電容都充滿電荷，然后關(guān)閉復位管；

打開行選擇管，讀出第二噪聲，然后關(guān)閉行選擇管；

曝光，節(jié)點電容中電荷通過接觸電極在量子點層流失；

將傳輸管和溢出電容選擇管關(guān)閉后，打開復位管，將懸浮電容充滿電荷，再關(guān)閉復位管；

打開行選擇管，讀出第一噪聲；

打開傳輸管，使節(jié)點電容的電荷與懸浮電容的電荷中合后，再關(guān)閉傳輸管，讀出第一采樣信號；

打開傳輸管和溢出電容選擇管，使節(jié)點電容的電荷、懸浮電容的電荷及溢出電容的電荷中合后，讀出第二采樣信號。

綜上所述，在本發(fā)明提供的圖像傳感器及圖像傳感器的像素信號采集方法中，所述圖像傳感器采用量子點材料，所述圖像傳感器在讀出電路中設(shè)置了一個溢出電容，并通過溢出電容選擇管控制，可完成一次曝光同時輸出未飽和圖像和飽和圖像，經(jīng)過處理從而得到高動態(tài)范圍的圖像。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的圖像傳感器的剖示圖；

圖2是本發(fā)明實施例的圖像傳感器的電路連接示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的圖像傳感器的像素信號采集方法的時序示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例的另一圖像傳感器的像素信號采集方法的時序示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例的圖像傳感器的芯片系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，請參閱附圖。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種圖像傳感器，包括襯底10、接觸電極20和量子點層30，所述襯底10中設(shè)置有讀出電路單元100，所述讀出電路單元100包含傳輸管110和溢出電容120，所述溢出電容120通過一溢出電容選擇管130連接所述傳輸管110，所述溢出電容選擇管130的漏極接所述傳輸管110的漏極，所述溢出電容選擇管130的源極連接所述溢出電容120，所述溢出電容選擇管130的柵極連接電容選擇信號，所述傳輸管110的柵極連接傳輸信號，所述接觸電極20設(shè)置在所述襯底10上，所述接觸電極20連接所述傳輸管110的源極，所述量子點層30覆蓋所述接觸電極20設(shè)置在所述襯底10上。

如圖2所示，本發(fā)明提供的圖像傳感器的電路示意圖，在本實施例中，所述傳輸管T4(TG)的源極連接一節(jié)點電容Cn，節(jié)點電容Cn用于存儲接觸電極的電位信息，即在曝光前后節(jié)點電容經(jīng)接觸電極由量子點層產(chǎn)生電位變化，所述傳輸管T4(TG)的漏極連接一懸浮電容FD，懸浮電容FD用于存儲電荷。

繼續(xù)參考圖2所示，所述讀出電路單元110還包含復位管T1(Reset)和行選擇管T3(ROW)，所述復位管T1(Reset)的漏極連接重置電壓源Vreset，所述復位管T1(Reset)的源極接所述傳輸管T4(TG)的漏極，所述復位管T1(Reset)的柵極接重置信號RX，復位管T1(Reset)通過重置電壓源Vreset可將溢出電容Cs、節(jié)點電容Cn和懸浮電容FD充滿電荷重置為高電位，所述行選擇管T3(ROW)的源極連接信號輸出端Vout進行信號輸出，所述行選擇管T3(ROW)的漏極連接所述傳輸管T4(TG)的漏極，所述行選擇管T3(ROW)的柵極連接行選擇信號RS。

在本實施例中，所述行選擇管T3(ROW)的漏極通過一源隨器T2(SF)連接所述傳輸管T4(TG)的漏極，所述源隨器T2(SF)的漏極連接一源隨電壓源Vdd，所述源隨器T2(SF)的源極連接行選擇管T3(ROW)的漏極，所述源隨器T2(SF)的柵極連接所述傳輸管T4(TG)的漏極，經(jīng)過源隨器T2(SF)的輸入電壓和輸出電壓的大小及相位均一樣，由于源隨器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，實現(xiàn)了阻抗的轉(zhuǎn)換，這樣提高電路帶負載的能力。

繼續(xù)參考圖1所示，所述量子點層30上設(shè)置有上電極40，通過上電極實現(xiàn)各電路的連接，所述上電極40的材料包括氧化銦錫、氟化氧化錫或鋁氧化鋅中一種，其中所述上電極40的厚度為50nm～500nm，上述材料和厚度為較佳的滿足需要。

進一步的，所述上電極40上設(shè)置有鈍化層，通過鈍化層起保護隔離作用，防止圖像傳感器受到空氣中的氧氣、水分等的影響，所述鈍化層的材料包括二氧化硅或氮化硅，二氧化硅和氮化硅性質(zhì)穩(wěn)定能起到較佳的隔離作用，所述鈍化層上設(shè)置有濾光片和透鏡，使用濾光片將不需要的光過濾掉，通過透鏡來確定光路。

可選的，所述量子點層30的材料包括CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP中一種，所述量子點層30中量子點的半徑為2nm～10nm，所述量子點之間的間距小于等于0.5nm，根據(jù)需要選擇的量子點層的材料屬性，上述范圍為較佳選擇。

可選的，所述接觸電極20的材料包括功函數(shù)大于4.8eV的高功函數(shù)材料和功函數(shù)小于4.4eV的低功函數(shù)材料，所述高功函數(shù)材料包括金、鎢、銅、氧化銦錫、氟化氧化錫或氮化鈦中一種及其組合，所述低功函數(shù)材料包括鋁、鎂或氮化鉭中一種及其組合，針對不同運用和不同量子點材料選用不同的功函數(shù)材料，所述接觸電極20的厚度為20nm～500nm，通過該厚度范圍內(nèi)的接觸電極實現(xiàn)較佳的歐姆接觸，在具體的實施方式中，接觸電極在在襯底上成陣列狀排列，量子點層為連接均勻的薄膜，接觸電極可通過通孔相連接到讀出電路單元。

本發(fā)明還提供圖像傳感器的像素信號采集方法，所述圖像傳感器采用上述圖像傳感器，結(jié)合圖2和圖3所示，圖3中描述t1至t8時序中信號變換，所述圖像傳感器的像素信號采集方法包括：

初始化，關(guān)閉復位管T1(Reset)、行選擇管T3(ROW)和傳輸管T4(TG)，通過電容選擇信號CS打開溢出電容選擇管T5，使溢出電容Cs與懸浮電容FD相連，即將溢出電容Cs與懸浮電容FD連接到同一電路上；

重置，通過傳輸信號TX打開傳輸管T4(TG)，使節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD及溢出電容Cs相連，即將節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD及溢出電容Cs連接到同一電路上，再通過重置信號RX打開復位管T1(Reset)，使節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD和溢出電容Cs都充滿電荷，即將節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD和溢出電容Cs都重置為高電位，然后關(guān)閉復位管T1(Reset)和傳輸管T4(TG)；

第二噪聲N2采樣，通過行選擇信號RS打開行選擇管T3(ROW)，在信號輸出端Vout讀出第二噪聲N2，然后關(guān)閉行選擇管T3(ROW)；

曝光，節(jié)點電容Cn中電荷通過接觸電極在量子點層QD流失，使節(jié)點電容Cn的電位降低；

重置懸浮電容FD，將溢出電容選擇管T5關(guān)閉后，通過重置信號RX打開復位管T1(Reset)，將懸浮電容FD充滿電荷，即將懸浮電容FD重置為高電位，再關(guān)閉復位管T1(Reset)；

第一噪聲N1采樣，通過行選擇信號RS打開行選擇管T3(ROW)，在信號輸出端Vout讀出第一噪聲N1；

第一信號S1采樣，通過傳輸信號TX打開傳輸管T4(TG)，使節(jié)點電容Cn的電荷與懸浮電容FD的電荷中合后，即使節(jié)點電容Cn與懸浮電容FD的電位達到平衡后，再關(guān)閉傳輸管T4(TG)，然后在信號輸出端Vout讀出混合第一噪聲N1的第一采樣信號S1+N1；

第二信號S2采樣，通過電容選擇信號CS打開溢出電容選擇管T5，使溢出電容Cs的電荷與懸浮電容FD的電荷中合后，即使溢出電容Cs與懸浮電容FD的電位達到平衡后，然后在信號輸出端Vout讀出混合第二噪聲N2的第二采樣信號S2+N2。

結(jié)合圖4所示，另一圖像傳感器的像素信號采集方法包括：

初始化，關(guān)閉復位管T1(Reset)、行選擇管T3(ROW)和傳輸管T4(TG)，通過電容選擇信號CS打開溢出電容選擇管T5，使溢出電容Cs與懸浮電容FD相連，即將溢出電容Cs與懸浮電容FD連接到同一電路上；

重置，通過傳輸信號TX打開傳輸管T4(TG)，使節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD及溢出電容Cs相連，即將節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD及溢出電容Cs連接到同一電路上，再通過重置信號RX打開復位管T1(Reset)，將節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD和溢出電容Cs都充滿電荷，即將節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD和溢出電容Cs都重置為高電位，然后關(guān)閉復位管T1(Reset)；

第二噪聲N2采樣，通過行選擇信號RS打開行選擇管T3(ROW)，在信號輸出端Vout讀出第二噪聲N2，然后關(guān)閉行選擇管T3(ROW)；

曝光，節(jié)點電容Cn中電荷通過接觸電極在量子點層QD流失，使節(jié)點電容Cn的電位降低；

重置懸浮電容FD，將傳輸管T4(TG)和溢出電容選擇管T5關(guān)閉后，通過重置信號RX打開復位管T1(Reset)，將懸浮電容FD充滿電荷，即將懸浮電容FD重置為高電位，再關(guān)閉復位管T1(Reset)

第一噪聲N1采樣，通過行選擇信號RS打開行選擇管T3(ROW)，在信號輸出端Vout讀出第一噪聲N1；

第一信號S1采樣，通過傳輸信號TX打開傳輸管T4(TG)，使節(jié)點電容Cn的電荷與懸浮電容FD的電荷中合后，即使節(jié)點電容Cn與懸浮電容FD的電位達到平衡后，再關(guān)閉傳輸管T4(TG)，然后在信號輸出端Vout讀出混合第一噪聲N1的第一采樣信號S1+N1；

第二信號S2采樣，通過傳輸信號TX打開傳輸管T4(TG)并通過電容選擇信號CS打開溢出電容選擇管T5，使節(jié)點電容Cn的電荷、懸浮電容FD的電荷及溢出電容Cs的電荷中合后，即使節(jié)點電容Cn、懸浮電容FD及溢出電容Cs的電位達到平衡后，然后在信號輸出端Vout讀出混合第二噪聲N2的第二采樣信號S2+N2。

在本發(fā)明的圖像傳感器中，復位管、源隨器、行選擇管、傳輸管和溢出電容選擇管均為諸如MOS管的開關(guān)選擇器件，開關(guān)選擇器件的柵極所連接的重置信號、行選擇信號、傳輸信號及溢出電容選擇信號均為通過電路連接的控制信號，其中重置電壓源和源隨電壓源均為提供的一電壓源，本發(fā)明中各器件的連接方式均為芯片中可實現(xiàn)的多層金屬互聯(lián)線的布線方式，關(guān)于開關(guān)選擇器件的源極和漏極均為本領(lǐng)域的常規(guī)描述，如圖5所示是芯片系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，像素陣列包括本發(fā)明的圖像傳感器，在此基本上的變換及開關(guān)選擇器件的不同選擇，均表明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容。

通過本發(fā)明提供的圖像傳感器，采用量子點材料形成的量子點層結(jié)構(gòu)可提高圖像傳感器的填充系數(shù)，由于量子點材料對光線響應的非線性(高光強下響應率降低)，可在一定程度上增大動態(tài)范圍。在溢出電容的作用下進一步得到高動態(tài)范圍的圖像，例如，通過溢出電容選擇管，在溢出電容選擇管關(guān)閉的情況下，曝光后輸出得到未飽和圖像，在溢出電容選擇管打開的情況下，得到飽和圖像，可分別形成兩張對暗光和強光細節(jié)敏感的圖像，從而完成一次曝光同時輸出未飽和圖像和飽和圖像，經(jīng)過后續(xù)軟件處理就可得到一張高動態(tài)范圍的圖像。同時，采用同一個源隨器讀出兩張圖像信號，減少電路中元件數(shù)量的同時避免了不同源隨器性能差異造成的影響。并且，由于兩張圖像曝光采集的時間相同，本發(fā)明提供的圖像傳感器可適用于高速運動等場景，通過本發(fā)明中圖像傳感器的像素信號采集方法去除掉噪聲后得到所述需要的圖像信息的第一信號和第二信號。

綜上所述，在本發(fā)明提供的圖像傳感器及圖像傳感器的像素信號采集方法中，所述圖像傳感器采用量子點材料，所述圖像傳感器在讀出電路中設(shè)置了一個溢出電容，并通過溢出電容選擇管控制，可完成一次曝光同時輸出未飽和圖像和飽和圖像，經(jīng)過處理從而得到高動態(tài)范圍的圖像。

上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護范圍。