[发明专利]成像元件和相机系统

说明书

本分案申请是申请日为2010年11月26日、申请号为201010563158.1、发明名称为“成像元件和相机系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及如CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器的成像元件和相机系统。

背景技术

近年来，在医疗和生物工艺学的领域中，已经进行了从生物体发射的荧光和微光的有力的测量和成像。

这种成像比可用的普通成像器要求高得多的灵敏度和更低的噪声。例如，使用能够倍增模拟电荷的EM-CCD（电子倍增电荷耦合器件）。

同时，日本专利公开No.1995-67043提出一种使用时分光子计数的成像元件。

该技术设计来确定对于每个给定时间段入射在光电二极管上的光子的存在或不存在作为二进制值，并且汇集（compile）通过重复该处理多次获得的结果以获得二维成像数据。

即，该成像元件每个给定时间段感测来自光电二极管的信号。只要在该时间段期间一个或多个光子入射，连接到每个像素的计数器递增1，而不管入射光子的数量。

当光子入射到光电二极管上的频率沿时间轴是随机的时，入射光子的实际数量和计数符合泊松分布（Poisson distribution）。因此，当光子的入射频率低时，入射光子的实际数量和计数是近似线性关系。另一方面，当光子的入射频率高时，可以以全面的方式校正关系。

由于其完全消除读取噪声的能力，这种成像元件特别适于成像微光。

这种光子计数通常通过电荷倍增来实现。

例如，日本专利公开No.1995-67043假设雪崩二极管用于倍增电荷。雪崩二极管将入射到光接收表面的光子转换为光电子，并且进一步加速光电子穿过高压以通过撞击重复二次电子的生成，因此倍增信号电荷。

这提供其电平足够大到用于入射光子的检测的信号。

使用光子计数的成像元件几乎不受从一个器件到另一个器件在灵敏度上的变化的影响。因此，可以通过安排这种成像元件来形成成像表面。

预期这种成像元件使用在各种应用中，包括通过将其与闪烁体（scintillator）结合使用的超低曝光X射线放射成像。

发明内容

顺带提及，通过电子加速、电荷倍增的实现通常要求非常高的电压，因此要求半导体制造的特殊工艺。

此外，如果用例如雪崩二极管对于每个像素执行电荷倍增，则使用高压使得其难以将像素与其邻近像素电隔离。结果，该技术在小型化像素方面是不利的。

另一方面，在传送期间的模拟信号的倍增使其自身成为新的噪声。这也导致各器件之间的非常大的变化。

对上述问题的可能的解决方案将是在每个像素中提供放大器而不是倍增电荷，使得通过将放大器的输入电容减少到尽可能低的程度，可以从单个光电子获得大电平的信号。

图1是图示具有放大器的像素的电路配置示例的图。

单位像素电路PX1包括光电二极管1、传送晶体管2、重置晶体管3、放大晶体管4、存储节点5和浮置扩散（FD）节点6。

传送晶体管2使其栅极电极连接到传送线7，并且重置晶体管3使其栅极电极连接重置线8。放大晶体管4使其栅极电极连接到FD节点6。

在像素电路PX1中，入射到像素的硅基底上的光生成电子空穴对。这些对中的电子通过光电二极管1存储在存储节点5中。

当传送晶体管2在给定定时导通时，电子传送到FD节点6，因此驱动放大晶体管4的栅极。

这考虑了信号电荷作为信号被读取到像素输出9，其是放大晶体管4的源极。当像素输出9经由恒流电路或电阻元件（未示出）接地时，像素输出9用作源极跟随器。

当同时导通并与传送晶体管2并联时，重置晶体管3从光电二极管1提取电子，并且将其注入电源，因此将像素重置为存储电子之前的暗状态，即，没有入射光子的状态。

为了减少FD节点6的电容，已有的通常做法是减少FD节点6的扩散层的电容、或连接传送晶体管的扩散层和放大晶体管4的栅极的布线的电容，这要归功于引入布局和制造步骤中的新的构思。

然而，只有这些电容减少不能实现显著效果，并且不足以允许单个光电子的检测。

FD节点的电容包括前面所述的布线电容和扩散层电容。

然而，假设这些电容通过引入布局的新的构思和半导体缩微成像技术的进步而减少，最终保留的是放大晶体管4自身的栅极电容。该电容占FD节点的寄生电容的大部分。

放大晶体管的尺寸减少越多，输出随机噪声变得越大，因此限制了该部分可以最小化的程度。