[发明专利]衬底电压调制型图像传感器像素单元及阵列、操作方法

说明书

本发明提供了一种衬底电压调制型图像传感器像素单元即阵列、操作方法。该像素单元包括场效应管和三极管，场效应管衬底的掺杂类型与三极管的基极的掺杂类型相同，但与场效应管的源极和漏极的掺杂类型相反；场效应管衬底与三极管的基极相连，三极管的发射极连接场效应管的源极和漏极中的一个，作为像元源极；三极管的集电极连接场效应管的源极和漏极中的另一个，作为像元漏极；场效应管的栅极外接电压，作为像元栅极。本发明提供的图像传感器可适用于亚微米像素，具有低暗电流、低串扰、高信噪比以及像元尺寸缩至9F²等特点。

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，尤其涉及一种高集成密度、高线性度、高信噪比和低串扰的衬底电压调制型图像传感器像素单元和像元阵列的基本原理、操作方法和器件结构。

背景技术

光电探测器在军事、医疗、汽车、移动设备等领域均有广泛应用，并且随着诸多领域对图像传感器性能需求的增高，光电探测器的优化与迭代也基本具备“摩尔定律”的特征，即单个像素单元尺寸的缩小与单芯片像素集成度的提升。

目前主流的光电探测器为电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)。CCD的基本感光单元为多个串联的MOS电容，通过在各相邻的MOS电容的栅极施加适当的电压，实现光电荷收集、像素隔离和电荷转移的功能，并最终逐级将串联在一起的MOS电容中的信号电荷转移至读出节点，实现光生信号的量化和复位。但随着像素尺寸的缩小，CCD中MOS电容栅控能力的减弱，很难通过施加不同的电压构建MOS电容之间的势垒，无法达成信号电荷隔离的效果。并且由于CCD的读取需要各级的电荷全部转移到读出节点，转移效率的存在就限制了CCD的集成规模。因此，现今CCD技术多应用于对成像分辨率要求不高但对动态范围与信噪比有高需求的场景。CIS目前均采用了有源式像元结构(Active Pixel Sensor，APS)，像元的感光部分为光敏二极管，相较于CCD必须多级感光单元共用一组读出电路，CIS可以为每个光敏二极管提供以源跟随器(SourceFollow，SF)为核心的读出模块，从而避免了过多次数的电荷转移。2022年三星公司借助垂直转移栅技术将CIS单像元的尺寸缩小至600nm，并且采用多光敏二极管共用读出模块的方式得以实现对各像元访问。但是由CIS构成的图像传感器的结构不够规整，给内部连线与器件区的光刻均带来了很大压力，因此像元尺寸的缩小会愈发艰难。

除上述外，目前也有采用单晶体管或双晶体管结构实现必要的像素功能，具有结构简单和周期性强的特点，能够配合先进的工艺技术实现像素尺寸的进一步缩小。专利CN101807547A中公开了一种以衬底热电子注入为核心机理，以标准浮栅器件为单像素的成像方法。从版图和工艺实现的角度该成像器件的缩小最为理想，但是由于光信号的存储与读出需要借助编程机制，量子效率过低，不适用于常规光照条件下的成像。而专利CN201610592997.3中的双晶体管光敏探测器在其感光区收集光电子后，通过浮栅耦合的作用改变了其读取管的阈值实现了信号读取。该光敏探测器的成像原理与CIS较为相近，同时兼具单像素结构简单的特点，考虑到像元与像元的隔离与像元内部感光区与读取区的隔离，单像素尺寸最小能可以缩至16F²(F为工艺的特征尺寸)。此外，专利CN108493202A采用超薄体和埋氧(Ultra Thin BOX and Body，UTBB)结构作为图像传感器的方案。该技术在像素缩小方面具有优势，但是由于工作状态要受到晶体管源漏的控制，以及复位需要衬底电压的参与，以该器件为像元组成的图像传感器不仅无法实现卷帘式曝光(RollingShutter，RS)，而且复位主要依靠载流子的复合，帧率低且串扰大。

而早在1991年电荷调制器件(Charge Modulation Device，CMD)图像传感器的原理便有被提及，并在2007年实现了芯片的成像，但所用的成像器件需要借助两道阱注入分别用来实现像素间的隔离和复位。首先单纯用掺杂的方式实现隔离使得像素最小的尺寸被限制在微米级别，其次像元底部用于复位的掺杂区域会不断损失光生信号，导致该像元结构只适用于前照式(Front Side Illuminate，FSI)，感光效率很低。