[發明專利]成像元件和相機系統

無效

• 申請號: 201010563158.1
• 申請日: 2010-11-26
• 公開（公告）號: CN102110697A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發明（設計）人: 西原利幸;角博文
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N5/374;H04N5/225
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 周少杰

技術領域

本發明涉及如CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器的成像元件和相機系統。

背景技術

近年來，在醫療和生物工藝學的領域中，已經進行了從生物體發射的熒光和微光的有力的測量和成像。

這種成像比可用的普通成像器要求高得多的靈敏度和更低的噪聲。例如，使用能夠倍增模擬電荷的EM-CCD(電子倍增電荷耦合器件)。

同時，日本專利公開No.1995-67043提出一種使用時分光子計數的成像元件。

該技術設計來確定對于每個給定時間段入射在光電二極管上的光子的存在或不存在作為二進制值，并且匯集(compile)通過重復該處理多次獲得的結果以獲得二維成像數據。

即，該成像元件每個給定時間段感測來自光電二極管的信號。只要在該時間段期間一個或多個光子入射，連接到每個像素的計數器遞增1，而不管入射光子的數量。

當光子入射到光電二極管上的頻率沿時間軸是隨機的時，入射光子的實際數量和計數符合泊松分布(Poisson?distribution)。因此，當光子的入射頻率低時，入射光子的實際數量和計數是近似線性關系。另一方面，當光子的入射頻率高時，可以以全面的方式校正關系。

由于其完全消除讀取噪聲的能力，這種成像元件特別適于成像微光。

這種光子計數通常通過電荷倍增來實現。

例如，日本專利公開No.1995-67043假設雪崩二極管用于倍增電荷。雪崩二極管將入射到光接收表面的光子轉換為光電子，并且進一步加速光電子穿過高壓以通過撞擊重復二次電子的生成，因此倍增信號電荷。

這提供其電平足夠大到用于入射光子的檢測的信號。

使用光子計數的成像元件幾乎不受從一個器件到另一個器件在靈敏度上的變化的影響。因此，可以通過安排這種成像元件來形成成像表面。

預期這種成像元件使用在各種應用中，包括通過將其與閃爍體(scintillator)結合使用的超低曝光X射線放射成像。

發明內容

順帶提及，通過電子加速、電荷倍增的實現通常要求非常高的電壓，因此要求半導體制造的特殊工藝。

此外，如果用例如雪崩二極管對于每個像素執行電荷倍增，則使用高壓使得其難以將像素與其鄰近像素電隔離。結果，該技術在小型化像素方面是不利的。

另一方面，在傳送期間的模擬信號的倍增使其自身成為新的噪聲。這也導致各器件之間的非常大的變化。

對上述問題的可能的解決方案將是在每個像素中提供放大器而不是倍增電荷，使得通過將放大器的輸入電容減少到盡可能低的程度，可以從單個光電子獲得大電平的信號。

圖1是圖示具有放大器的像素的電路配置示例的圖。

單位像素電路PX1包括光電二極管1、傳送晶體管2、重置晶體管3、放大晶體管4、存儲節點5和浮置擴散(FD)節點6。

傳送晶體管2使其柵極電極連接到傳送線7，并且重置晶體管3使其柵極電極連接重置線8。放大晶體管4使其柵極電極連接到FD節點6。

在像素電路PX1中，入射到像素的硅基底上的光生成電子空穴對。這些對中的電子通過光電二極管1存儲在存儲節點5中。

當傳送晶體管2在給定定時導通時，電子傳送到FD節點6，因此驅動放大晶體管4的柵極。

這考慮了信號電荷作為信號被讀取到像素輸出9，其是放大晶體管4的源極。當像素輸出9經由恒流電路或電阻元件(未示出)接地時，像素輸出9用作源極跟隨器。

當同時導通并與傳送晶體管2并聯時，重置晶體管3從光電二極管1提取電子，并且將其注入電源，因此將像素重置為存儲電子之前的暗狀態，即，沒有入射光子的狀態。

為了減少FD節點6的電容，已有的通常做法是減少FD節點6的擴散層的電容、或連接傳送晶體管的擴散層和放大晶體管4的柵極的布線的電容，這要歸功于引入布局和制造步驟中的新的構思。

然而，只有這些電容減少不能實現顯著效果，并且不足以允許單個光電子的檢測。

FD節點的電容包括前面所述的布線電容和擴散層電容。

然而，假設這些電容通過引入布局的新的構思和半導體縮微成像技術的進步而減少，最終保留的是放大晶體管4自身的柵極電容。該電容占FD節點的寄生電容的大部分。

放大晶體管的尺寸減少越多，輸出隨機噪聲變得越大，因此限制了該部分可以最小化的程度。

本發明提供一種成像元件和相機系統，其能夠顯著減少放大晶體管的有效柵極電容，而不改變其柵極面積，以便顯著減少整體寄生電容。