[发明专利]一种CMOS图像传感器的像素单元和阵列及其制作方法

说明书

本发明公开了一种CMOS图像传感器的像素单元及其制造方法，属于半导体技术领域。像素单元包括：感光二极管和传输管组，所述传输管组包括若干个分别在源极端和漏极端进行并联的传输管，每个所述传输管的栅极与所述感光二极管的注入区形成大小不同的重叠区，以具备不同的传输效率；所述感光二极管用于进行光电转换以将光子转换为电子；所述传输管组用于根据入射光的照度有选择的启动对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，从而将所述电子从所述传输管组的源极端传输到漏极端并转换为电压信号。本发明中，根据入射光的照度有选择的启动传输管组对应传输效率的传输管进行所述电子的传输，实现高灵敏度和高动态这两个指标。

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体地说，涉及一种CMOS图像传感器的像素单元。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件((Charge-coupled Device，以下简称CCD图像传感器)和互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS图像传感器)。

CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比，具有的低功耗、低成本、与 CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)中，而且也用在汽车电子、视频监控、生物技术和医学等领域。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。现有技术中，常用的像素单元为包含一个感光二极管和四个晶体管的有源像素结构。其中，感光二极管作为感光单元，用于收集光线并进行光电转换，其它四个晶体管作为控制单元，用于选中感光二极管的、复位、信号放大和读出等控制。

为了评价图像传感器芯片的性能，灵敏度和动态范围是常用的两个相互矛盾的评价指标。在一定的输出摆幅下，灵敏度高则意味着动态范围变小，而如果动态范围大则灵敏度低。

如图1所示，为现有技术中常规的CMOS图像传感器的像素单元电路结构，其通常包括感光二极管101，传输管(TX)102、复位管(RX)103、源极跟随管(DX)104和行选管(SX)105。感光二极管101用于将光子转换为电子，传输管102用于将感光二极管中产生的电子传输到悬浮漏极112，并转换为电压信号输出。需要说明的是，在像素单元的结构中最关键的是传输管102对电子从感光二极管101到悬浮漏极112传输的控制，因此，传输管 102的传输效率对像素单元的性能有着重要影响。

如图2所示为图1中的传输管的版图结构，其中包括用于形成感光二极管的有源区111和注入区121、传输管的栅极122和悬浮漏极112。由图2可见，感光二极管的注入区121和传输管的栅极122有一定的重叠区A，而重叠区A的大小影响传输管102的传输效率。

如图3所示，为图1中常规像素单元的光响应特性曲线。横轴代表入射光的照度，纵轴代表输出信号，其随照度的增加而增加。当入射光的照度达到一定的量时输出信号饱和，即入射光的照度继续增加而输出信号不变。输出信号能达到的最大值代表输出摆幅。输出摆幅取决于像素单元的工作电压和像素单元各个晶体管的阈值电压，当器件选型确定后，该输出摆幅一般是一个固定的值。图3中，输出信号的斜率代表像素单元的灵敏度，而像素单元能够响应的最大照度和最小照度之比则代表像素单元的动态范围。由图3可见，在输出摆幅一定的条件下，如果灵敏度上升，即响应曲线斜率变大，会造成动态范围变小，反之如果动态范围增加，则会造成斜率变小，即灵敏度下降。

因此，在实际应用过程中，如果希望图像在低照度时能够有灵敏的响应，则需要高灵敏度的像素单元；同时如果希望图像在高照度的情况下像素单元不饱和，则需要高动态范围的像素单元。但是现有技术中的像素单元只能满足高灵敏度和高动态范围中的某一个指标，而不能同时实现高灵敏度和高动态这两个指标。

发明内容