[发明专利]图像传感器及其操作方法

说明书

本公开涉及图像传感器及其操作方法。该图像传感器包括衬底、设置在衬底中的多个像素单元和多个处理电路。每个像素单元包括：栅极结构，包括栅极和栅极电介质层；多个浮置扩散区；多个光电二极管，与浮置扩散区一一对应地设置在其下方，其中多个浮置扩散区具有第一掺杂类型并且多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个沟道形成区，每个沟道形成区设置在相应一个浮置扩散区与相应一个光电二极管的第一区域之间并具有第二掺杂类型。每个处理电路由多个像素单元中的至少两个像素单元共用，用于基于该至少两个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将电信号输出。

技术领域

本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及图像传感器及其操作方法。

背景技术

图像传感器是能够对辐射(例如，光辐射，包括但不限于可见光、红外线、紫外线等)进行感测并由此生成相应的电子信号的功能器件。图像传感器被广泛地应用于各种需要对辐射进行感测的电子产品中。

图像传感器可以包括多个像素单元以及设置在像素单元周围的处理电路，其中处理电路也可以被认为是像素单元的组成部分。每个像素单元都具有诸如光电二极管之类的光电转换部件。

随着人们对电子产品小型化的需求越来越高，领域内一直致力于进一步缩小图像传感器的产品尺寸，但是简单地缩小现有的像素单元为平面结构的图像传感器所能实现的尺寸缩小非常有限，而且还会带来很多负面效果，诸如感光面积受限、串扰加剧、暗电流恶化等。

因此存在对于能够在进一步缩小产品尺寸的同时保证产品性能的改进的图像传感器的需求。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种新颖的图像传感器及其操作方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种图像传感器，包括：衬底；设置在衬底中的多个像素单元，每个像素单元包括：栅极结构，包括：栅极，嵌入在衬底中；以及栅极电介质层，设置在衬底中并且围绕栅极的底面和侧面；多个浮置扩散区，彼此分离地设置在衬底中邻近上表面处，多个浮置扩散区围绕栅极结构并且与栅极电介质层接触；多个光电二极管，彼此分离地设置在衬底中，多个光电二极管与多个浮置扩散区一一对应地设置在多个浮置扩散区下方并且与栅极电介质层接触，其中，多个浮置扩散区具有第一掺杂类型，并且多个光电二极管各自包括具有第一掺杂类型的第一区域；以及多个沟道形成区，每个沟道形成区设置在相应的一个浮置扩散区与相应的一个光电二极管的第一区域之间，并且具有第二掺杂类型；以及多个处理电路，每个处理电路用于基于其所对应的一个或多个像素单元的每个浮置扩散区中的电荷来生成电信号并将所述电信号输出。

根据本公开的另一个方面，提供了一种用于操作根据上述实施例的图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：在第一时间段内，接通第一复位晶体管、第二复位晶体管、第三复位晶体管和第四复位晶体管，使得第一像素单元和第二像素单元的所有浮置扩散区复位，然后关断第一复位晶体管、第二复位晶体管、第三复位晶体管和第四复位晶体管；在第二时间段内，向第一像素单元的栅极施加在预定范围内的电压，使得第一浮置扩散区、第二浮置扩散区、第三浮置扩散区和第四浮置扩散区各自与其对应的一个光电二极管电连通，从而将第一像素单元的每个光电二极管中产生的电荷转移至对应的浮置扩散区中；在第三时间段内，在保持第二选通晶体管和第四选通晶体管关断的同时接通第一选通晶体管和第三选通晶体管，经由第一源极跟随器晶体管和第一选通晶体管读取第一浮置扩散区的信号，并且经由第二源极跟随器晶体管和第三选通晶体管读取第二浮置扩散区的信号；以及在第四时间段内，在保持第一选通晶体管和第三选通晶体管关断的同时接通第二选通晶体管和第四选通晶体管，经由第一源极跟随器晶体管和第二选通晶体管读取第四浮置扩散区的信号，并且经由第二源极跟随器晶体管和第四选通晶体管读取第三浮置扩散区的信号。