[发明专利]具有无开关有源像素的电流/电压模式图像传感器

说明书

政府支持

本发明在批准号码FA9550-05-1-0052下由美国空军科学研究局(AFOSR)支持。政府在本发明中可能具有某些权利。

技术领域

本发明涉及一种电流/电压模式有源像素传感器架构，其中，像素传感器由每像素1.5或2.0晶体管构成，因此，每给定硅面积允许更高分辨率和更多像素。

背景技术

高分辨率的成像与每像素的晶体管数目和互连密切相关。传统的电压模式图像传感器是基于三晶体管(3T)有源像素传感器(APS)拓扑，这是由E.R.Fossum在“CMOS Image Sensor：ElectronicCamera-On-A-Chip”，IEEE Trans.Electron Devices，Vol.44，pp.1689-1698，Oct.1997中提出的。这种三晶体管拓扑作为行业标准已经被广泛接受，它由重置晶体管、开关晶体管和源极跟随器(即，在光电二极管节点处缓冲来自大线路电容的有源元件)组成。3T APS的一个缺点是高的暗电流和高的时间噪声。为了解决这些问题，针式光电二极管作为四晶体管(4T)APS的一部分而被引入。(参见例如Guidash等人的“A 0.6μm CMOS pinned photodiode color imager technology”，Electron Devices Meeting，1997.Technical Digest.，International 7-10Dec.1997，Pages：927-929。)这种埋入式光电二极管具有较低的暗电流，并且该额外的开关晶体管允许真实相关双采样(CDS)。较低的时间噪声变化产生了令人印象深刻的信噪比改善，高达60dB的令人惊讶的数字。不幸的是，额外开关晶体管的引入是以增大像素大小和降低图像传感器的分辨率为代价的。

为了实现高分辨率的电压模式成像，已经公布了各种像素方案，表1中对这些方法作了总结。Y.Iida等人在“A 1/4-Inch 330kSquare Pixel Progressive Scan CMOS Active Pixel Image Sensor”，IEEEJ.Solid-State Circuits，v.32，pp.2042-2047，July 1994中提出了两种不同像素拓扑，以便减少每像素晶体管计数和互连。这两种像素拓扑依赖于像素的电容性寻址，导致了低像素敏感性，以及由于在光电二极管节点处的电容的增加而造成空间变化增加。在题为“Single-Capacitor-Single-Contact Active Pixel”，Proc.IEEE ISCAS，Geneva，Switzerland，May 2000的文章中，Etienne-Cummings提出使用电容性寻址方案的具有单一接触的单一像素。然而，由像素内BJT的增益变化所造成的大的空间变化，诸如高的固定模式噪声，是这种该实现方式的缺点之一。另外，关于相邻像素的各种晶体管共享方案在文献中已经被广泛报告。在这种情形下，四个或八个4T APS像素在该四个或八个像素中共享重置和/或读出晶体管。这将每像素晶体管的数目分别减少至1.75或1.25。(参见，Y.C.Kim等人的“1/2inch 7.2mega-pixelCMOS image sensor with 2.25μm pixel using 4-shared pixel structure forpixel-level charge summation”，inDigest.IEEE ISCCC，pp.494-495，2006；以及S.Yoshihara等人的“A 1/1.8-inch 6.4Mpixel 60fps CMOS ImageSensor with Seamless Mode Change”，in Digest.IEEE ISCCC，pp.492-493，2006。)而且，通过J.Burns等人的“A Wafer-Scale 3-D CircuitIntegration Technology”，IEEE Trans.On Electron Devices，v.53，pp.2507-2516，October 2006，以3-D技术制作了一种小间距、高填充因子图像传感器，其中，将光电二极管放置在顶层，并且将读出电路放置在随后层。该堆叠3-D制作技术已经允许几乎100％的填充因子，因为整个层被专用于光电二极管。不幸的是，与层内连接相关的浅结光电二极管和高寄生电容对于图像传感器的较差敏感性具有直接影响。

  像素类型  3T PS  4T APS  电容性地址  单一晶体  管  单一BJT  像素  共享4T APS  (1.75T)  参考  Fossum  等人  Guidash等  人  Iida等人  Iida等人  Etienne-Cu  mmings  Kim等人  每像素晶  体管  3  4  2  1  1(BJT)  7(每4个像素)  每像素电  容器  0  0  1  1  1  0  每像素互  连  5  6  5  3  9(每4个像素)  输出  电压  电压  电压  电压  电压  电压  FPN(％)  0.1％  0.1％  平均  平均  3.5  优秀  SNR  (dB)  45  45-60  ？  ？  35  46.7  敏感性  良好  优秀  中等  较差  较差  优秀表1：电压模式有源像素传感器的总结