[发明专利]电子倍增图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器，并且更具体地，涉及意在在低亮度水平并且可选地也在高亮度水平采集图像的那些传感器。

背景技术

当光水平低时，矩阵图像传感器的像素采集较少电子。必须大大提高累积时间来获得图像，但是这会损害信噪比。

在CCD(电荷耦合器件)技术中，已经提出了在传感器中并入电子倍增系统，该电子倍增系统从由光自然生成的电子产生附加电子。这样接收的电信号因此被以一因子倍增。噪声也增大，但是以比信号低的比率。

CCD技术中的这些电子倍增原理在于增大存在于电荷转移栅极之间的电位差，由此在转移期间使电子加速。给予其的能量足够用于与半导体材料的原子的碰撞，以使得这些原子中的电子从价带经过到达导带。这些电子产生电子-空穴对，这些电荷载流子本身被加速并且可以引起进一步的碰撞。结果是电子倍增现象。

此现象能够发生于CCD传感器中，因为电子从栅极转移至栅极并且是某些栅极上的电压的增大使得电子能够被大大加速，以引起此倍增。

然而，在有源像素传感器中，该有源像素传感器在每个像素内包括电荷-电压转换电路(数个晶体管)，因为在每个累积时段之后立刻对电子群(electron packet)进行电压转换，所以倍增不可能。电子未从栅极转移至栅极。然而，已经提出了在像素内的光电二极管和电荷存储节点之间使用多个栅极倍增级的有源像素传感器。然而，特别是由于倍增栅极中的电荷转移的差的质量，此级生成损耗，这些栅极相互覆盖的情况除外，但是这需要使用具有至少两个栅极电平的成本更高的技术。

发明内容

本发明提出了一种图像传感器，该图像传感器使用有源像素并且仍然容许电子倍增，用于甚至在非常低的光水平提供满意的图像的目的。此传感器不使用两个栅极电平。

传感器形成于半导体基底中，每个像素在半导体有源层的表面处包括：光电二极管区域；电荷存储节点；用于读取存储在所述存储节点中的电荷的读取晶体管；用于重置所述存储节点的电位的重置晶体管；以及用于对于光在所述光电二极管中生成的电荷，在电荷累积时间之后将电荷从所述光电二极管转移至所述存储节点的转移结构，其特征在于，所述转移结构包括：与所述光电二极管相邻的第一转移栅极；与所述存储节点相邻的第二转移栅极；以及位于所述第一转移栅极和所述第二转移栅极之间的放大结构，并且放大结构包括：两个分开的加速栅极；位于所述两个加速栅极之间且处于固定表面电位的中间二极管区域；用于首先向所述第一转移栅极施加第一转移脉冲，以将电荷从所述转移栅极转移至至少一个第一加速栅极的构件；用于然后给所述加速栅极施加一连串的交替的高和低电位，以连续地将电荷通过所述中间二极管区域从一个加速栅极转移至另一加速栅极的构件；以及用于然后给所述第二转移栅极(TR2)施加第二转移脉冲，以将电荷从所述加速栅极转移至所述存储节点的第二转移脉冲的构件。

中间二极管区域优选地是所谓的“钉扎”二极管，即相对于参考电位具有固定表面电位的二极管。通过将二极管的上部放置为与处于基底的电位的半导体区域直接接触来获得固定表面电位。交替的相反电位于是栅极电位(高电位和低电位)，使得栅极以下的电位在在比所述固定表面电位低的电平与高的电平之间交替。

遍及以下，将考虑光生成的并存储的待由像素测量的电荷是电子，并且因此较高电位产生能够采集电荷的势阱，而较低电位产生防止电荷转移的势垒。将可以设想存储的电荷是空穴而不是电子。原理将相同，但是必须反转电位和半导体区域的导电类型。将仅在电子存储的背景中描述本发明。

半导体基底包括保持在所述参考电位的P^-型半导体有源层。中间二极管包括在所述层中的N型扩散区域，并且此区域由连接至所述有源层的电位的P型表面区域覆盖。优选地，光电二极管也是由N型扩散部形成的钉扎光电二极管，该N型扩散部被抬高至有源层的电位的P型区域(掺杂水平不必与中间二极管和光电二极管的相同)覆盖。转移栅极和加速栅极是通过薄绝缘层与P型有源层绝缘的栅极。中间二极管区域可以由绝缘层覆盖。

优选地，第一转移栅极由尽可能短的距离与第一加速栅极分开，在任何情况下，比两个加速栅极之间的距离短。同样，第二转移栅极由尽可能短的距离与第二加速栅极分开，该距离比两个加速栅极之间的距离短。

传感器可以操作在非放大模式中，或放大模式中，或者在混合模式中，混合模式容许关于非常低的照明水平和非常高的照明水平实现非常大的动态范围。