[发明专利]一种提高CMOS图像传感器量子效率的光电二极管结构

说明书

本发明公开了一种提高CMOS图像传感器量子效率的光电二极管结构，位于轻掺杂衬底中，包括重置晶体管、传输晶体管、PN光电二极管、像素单元隔离区、P阱区和环状硅区；所述传输晶体管的两端分别连接所述重置晶体管和PN光电二极管，所述重置晶体管、传输晶体管和PN光电二极管形成的区域被环状的像素单元隔离区包围，在所述P阱区和像素单元隔离区的下方设置环状硅区，所述环状硅区的内环面积大于所述PN光电二极管面积，环状硅区和像素单元隔离区不重叠且两者掺杂类型相反。本发明可以通过增加PNP结的NP部分的反向偏压，以增加耗尽区宽度，提高长波段的量子效率，且能够避免引入带间隧穿漏电。

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种提高CMOS图像传感器量子效率的光电二极管结构。

背景技术

CMOS图像传感器是一种光电转换器件，入射的光子把半导体价带中的电子激发到导带，并储存在反向PN结中，再通过一个传输MOS晶体管转移到电容上。

PN结反向偏置，即重置晶体管漏极接高电位，传输晶体管漏极悬浮，重置晶体管栅极置高压打开，传输晶体管栅极置高压打开，此时钳位光电二极管中的PN结的N区的电荷(电子)被抽取，钳位光电二极管中的PN结被置于设定的反偏电位；重置晶体管栅极置低压关闭，传输晶体管栅极置低压关闭，经过一定时间的光照，PN结充入一定量的电子后，PN结的反偏电位会降低，降低的电位幅度与光照强度与光照时间成正比；传输晶体管栅极置高压打开，PN结中储存的电子流到传输晶体管的漏极后，使传输晶体管漏极的电位降低，降低的幅度与光电二极管中储存的电荷数量及光电二极管与传输晶体管漏极的电容比例成正比。读取传输晶体管漏极在电荷传输前后电位的变化即可知在该像素单元的光照强度。扫描整个像素阵列，就可以得到入射到像素阵列表面的光照强度，即物体的图像信息。

在CMOS图像传感器工作过程中，每一次曝光之前，都需要进行PN光电二极管的重置，附图1为现有技术中的CMOS图像传感器的结构示意图，位于P型轻掺杂衬底5中，包括重置晶体管、传输晶体管、PN光电二极管和P型像素单元隔离区，重置晶体管、传输晶体管的栅极和栅氧化层位于P型轻掺杂衬底的上表面，重置晶体管、传输晶体管的源极和漏极位于P型轻掺杂衬底5中，PN光电二极管中P型区域11位于N型区域4的正上方，且N型区域4为传输晶体管的源极，传输晶体管的源极7与其栅极9之间隔着PN光电二极管的P型区域11，传输晶体管的漏极7和重置晶体管的源极7重合，重置晶体管的漏极7一侧为浅沟槽隔离1，重置晶体管、传输晶体管和PN光电二极管形成的区域被环状的P型像素单元隔离区6包围，且环状的P型像素单元隔离区6中紧邻重置晶体管的部分为浅沟槽隔离1，浅沟槽隔离1的另一侧为P型连接区8，即浅沟槽隔离以及P型像素单元隔离区6共同形成一个环绕的重置晶体管、传输晶体管和PN光电二极管的区域。以附图1所示的CMOS图像传感器为例，重置的操作时序是这样的，左边的重置晶体管打开，传输晶体管的悬浮漏极7到高电位后，传输晶体管打开，PN光电二极管里的电子就被抽走，PN光电二极管电位升高就被重置。左边的重置晶体管和传输晶体管都关掉，传输晶体管的悬浮漏极7还在高电位。PN光电二极管经过一段时间的光照后，储存了一些电子。此时传输晶体管打开，电子从PN光电二极管转移到悬浮漏极7后，PN光电二极管的电位升高，悬浮漏极7的电位下降；悬浮漏极7的电位变化和悬浮漏极7的电容二者乘积就是转移的电荷数量。

常用的3.3V的CMOS图像传感器中PN结光电二极管在重置后，N型硅区的最高电压在1.8V左右，这时其耗尽区宽度在2.1微米左右。对于700纳米的红光，耗尽区宽度要达到3微米，才可以使量子效率大于50％。

要提高长波段的量子效率，需要增加耗尽区宽度。增加耗尽区宽度有两种思路，第一可以增加电压，但是增加电压后，会引入带间隧穿(BTBT)漏电，导致暗电流增加。第二可以增加PN结N区深度，但是增加PN结N区深度之后，会增加重置后的残留电子，从而导致暗光响应效果差。

发明内容