[發(fā)明專利]一種半導體感光單元及其半導體感光單元陣列

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410140574.9
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN104157658B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設計）人: 劉偉;劉磊;王鵬飛
• 申請（專利權）人: 蘇州東微半導體有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓然

技術領域

本發(fā)明涉及一種CMOS圖像傳感器，特別是涉及一種半導體感光單元及其半導體感光單元陣列。

背景技術

目前圖像傳感器主要有兩種：電荷耦合器件圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。電荷耦合器件圖像傳感器具有圖像質(zhì)量高、噪聲小等優(yōu)點，但其生產(chǎn)成本較高，同時不易同外圍電路集成。CMOS圖像傳感器的集成度高、體積小、功耗低、動態(tài)范圍寬，且可與電荷耦合器件圖像傳感器的制造工藝兼容，具有高度系統(tǒng)整合的條件。因此，近年來CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為研究熱點。

圖1所示為現(xiàn)有單像素單元電路組成的一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器的單個像素單元設有4個MOS管，具體包括：光電二極管（PD）、電荷溢出門管（TG）、復位晶體管（RST）、源極跟隨器（SF）以及選擇晶體管（RS）；其工作過程是：首先進入“復位狀態(tài)”，復位晶體管導通對光電二極管復位；然后進入“取樣狀態(tài)”，復位晶體管關閉，光照射到光電二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源極跟隨器放大輸出；最后進入“讀出狀態(tài)”，這時選擇晶體管打開，信號通過列總線輸出。該CMOS圖像傳感器的不足是，4個獨立工作的MOS管在該CMOS圖像傳感器的單個像素單元中占據(jù)了較大的襯底面積，不僅產(chǎn)品像素較低，而且產(chǎn)品分辨率不高。

為克服現(xiàn)有CMOS圖像傳感器的不足，中國專利200910234800.9提出了“一種平面溝道的半導體感光器件”，其沿電流溝道長度方向的剖面圖如圖2所示。半導體感光器件10的功能是通過設置在浮柵區(qū)505與漏極514之間的感光pn結(jié)二極管對浮柵進行充電或者放電來實現(xiàn)的，這樣既簡化了半導體感光器件的結(jié)構，又提高了圖像傳感器的分辨率。但為保證半導體感光器件的性能，平面溝道的半導體感光器件還需要較長的電流溝道長度，這在一定程度上增加了半導體感光器件的面積，降低了芯片密度。為克服這一不足，中國專利申請201310513086.3提出了一種 U溝道的半導體感光器件，在利用感光pn結(jié)二極管對浮柵進行充電或者放電的基礎上，將電流溝道區(qū)凹陷設置在半導體襯底內(nèi)，可在延長電流溝道區(qū)的條件下，實現(xiàn)器件尺寸的縮小。但上述通過感光pn結(jié)二極管對浮柵進行充電和放電的兩種結(jié)構的半導體感光器件均存在共性問題：感光pn結(jié)二極管的感光區(qū)需要大的面積，而浮柵與感光pn結(jié)二極管的感光區(qū)直接相連，這使得感光電流在充入浮柵后，很容易泄漏至感光pn結(jié)二極管的感光區(qū)內(nèi)，直接影響圖像傳感器器件的工作可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術的不足而提供一種半導體感光單元及其半導體感光單元陣列，本發(fā)明既可簡化圖像傳感器的結(jié)構、提高圖像傳感器芯片的像素，同時又能保證圖像傳感器的工作可靠性。

根據(jù)本發(fā)明提出的一種半導體感光單元，它包括在第一導電型的半導體襯底內(nèi)設有第一導電型第一端和第二導電型第二端的感光二極管，設有第二導電型的第一源極和第一漏極、控制所述第一源極和第一漏極之間的第一電流溝道區(qū)開啟或關閉的第一導電型的浮柵、以及通過電容耦合作用于所述浮柵上的第一控制柵極的浮柵晶體管，其特征在于所述感光二極管與浮柵晶體管之間設有選通MOS管，該選通MOS管設有第一導電型的第二源極和第二漏極、以及控制所述第二源極和第二漏極之間的第二電流溝道區(qū)開啟或關閉的第二控制柵極，該選通MOS管的第二漏極與所述感光二極管的第一端相連接，該選通MOS管的第二源極與所述浮柵晶體管的浮柵相連接。

本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是：

本發(fā)明所述感光二極管為同質(zhì)結(jié)二極管或異質(zhì)結(jié)二極管。

本發(fā)明所述浮柵至少部分凹陷在所述半導體襯底內(nèi)。

本發(fā)明所述浮柵至少部分凹陷在所述半導體襯底內(nèi)，第一控制柵極至少部分凹陷在所述半導體襯底內(nèi)。

本發(fā)明所述第二控制柵極至少部分凹陷在所述半導體襯底內(nèi)。

本發(fā)明所述感光二極管的第一導電型為p型、第二導電型為n型，所述選通MOS管的第二漏極與所述感光二極管的陽極相連接。

本發(fā)明所述感光二極管的第一導電型為n型、第二導電型為p型，所述選通MOS管的第二漏極與所述感光二極管的陰極相連接。

本發(fā)明所述感光二極管的第一導電型為p型、第二導電型為n型，所述選通MOS管的第二漏極與所述感光二極管的陽極相連接，所述浮柵晶體管的第一漏極與所述感光二極管的陰極相連接。

本發(fā)明所述感光二極管的第一導電型為n型、第二導電型為p型，所述選通MOS管的第二漏極與所述感光二極管的陰極相連接，所述浮柵晶體管的第一漏極與所述感光二極管的陽極相連接。