高转换增益像素单元及图像传感器

技术领域

本公开涉及图像采集技术领域，具体地说，涉及一种高转换增益像素单元及图像传感器。

背景技术

实际场景中，对于单个图像传感器而言，其所应对的成像场景往往是复杂且多变的，在使用过程中既需要支持对于光线较弱的暗场环境进行成像，又需要支持对光线较强的亮场环境进行成像。相应的，动态范围即是一个用于衡量图像传感器能够清晰成像的场景亮度范围的指标：对于常见的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器，由于受到像素满阱容量、曝光时间和噪声的限制，其动态范围一般处于60dB至70dB的区间中。

然而，对于一些特定领域，例如安防监控、自动驾驶等环境光线复杂、使用过程中明暗亮度变化较大的应用场景中，往往要求图像传感器具备大于100dB的高动态范围（HighDynamic Range, HDR）成像能力，常见的CMOS图像传感器并无法直接满足上述高动态范围的成像需求。

发明内容

针对现有技术中的问题，本公开的目的在于提供一种高转换增益像素单元及图像传感器，不仅具有高动态范围成像能力，还通过对浮动扩散区的走线设计及形状设计进一步提升了暗光环境下的成像效果。

具体的，本公开的第一方面提供了一种像素单元，该种像素单元包括衬底、光电二极管、传输晶体管、浮动扩散区、双转换增益晶体管、复位晶体管以及源跟随放大器，其中衬底的第一面设置有介质层，传输晶体管栅极、双转换增益晶体管栅极、复位晶体管栅极以及源跟随放大器栅极均设置于介质层远离第一面的第二面；其中：浮动扩散区被配置为双转换增益晶体管的漏极和复位晶体管的源极；以及浮动扩散区于第一面上的投影呈Y字型，Y字型的三个端部分别与传输晶体管栅极、双转换增益晶体管栅极、复位晶体管栅极在第一面上的投影区域相连接。

在上述第一方面的一种可能的实现中，自Y字型的中心区域至Y字型与双转换增益晶体管栅极的投影连接处，浮动扩散区于第一面上的投影的宽度单调递增。

在上述第一方面的一种可能的实现中，自Y字型的中心区域至Y字型与复位晶体管栅极的投影连接处，浮动扩散区于第一面上的投影的宽度单调递增。

在上述第一方面的一种可能的实现中，浮动扩散区仅引出一根金属走线；金属走线连接浮动扩散区以及源跟随放大器的栅极。

在上述第一方面的一种可能的实现中，双转换增益晶体管的源极连接一扩展电容；在像素单元接收到的光强大于预设阈值的情况下，双转换增益晶体管导通，扩展电容与浮动扩散区并联连接，以增大浮动扩散区的电容上限。

在上述第一方面的一种可能的实现中，复位晶体管的漏极以及源跟随放大器的漏极分别连接漏极电压端。

在上述第一方面的一种可能的实现中，该种像素单元还包括行选晶体管；行选晶体管的源极作为像素单元的输出；行选晶体管的栅极设置于第二面；行选晶体管的漏极被配置为源跟随放大器的源极。

在上述第一方面的一种可能的实现中，浮动扩散区于第一面上的投影，与传输晶体管栅极于第一面上的投影存在至少一部分重叠；浮动扩散区于第一面上的投影，与双转换增益晶体管栅极于第一面上的投影存在至少一部分重叠；浮动扩散区于第一面上的投影，与复位晶体管栅极于第一面上的投影存在至少一部分重叠。

在上述第一方面的一种可能的实现中，浮动扩散区对应的电容值为：源跟随放大器的栅极电容、金属走线的寄生电容、浮动扩散区与传输晶体管栅极的交叠电容、浮动扩散区与双转换增益晶体管栅极的交叠电容、浮动扩散区与复位晶体管栅极的交叠电容以及浮动扩散区的PN结电容之和。

本公开的第二方面提供了一种图像传感器，包括前述第一方面提供的像素单元。

与现有技术相比，本公开具有如下的有益效果：通过本公开提供的技术方案，提供了一种具有高动态范围成像能力的像素单元，通过将浮动扩散区与双转换增益晶体管的漏极和复位晶体管的源极进行融合设置，避免了额外的金属走线设置，降低了浮动扩散区对应的浮动扩散电容；同时，通过对浮动扩散区的形状进行优化，进一步降低了浮动扩散电容，使得像素单元在暗光环境下的转换增益值得到了显著提升，进而提升了图像传感器在暗光环境下的成像效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1根据本公开实施例，提供了一种高转换增益像素单元的电路结构示意图。

图2根据本公开实施例，提供了一种高转换增益像素单元在俯视视角下的设计示意图。

图3根据本公开实施例，提供了一种高转换增益像素单元中的部分在竖直平面上的剖面结构示意图。

图4根据本公开实施例，提供了一种高转换增益像素单元在俯视视角下的优化设计示意图。

图5根据本公开实施例，提供了如图4所示的高转换增益像素单元中的部分在竖直平面上的剖面结构示意图。

图6根据本公开实施例，提供了另一种高转换增益像素单元在俯视视角下的优化设计示意图。

图7根据本公开实施例，提供了另一种高转换增益像素单元在俯视视角下的优化设计示意图。

实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本公开所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本公开中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本公开的实施例进行详细说明，以便本公开所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本公开可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

在本公开的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本公开中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了明确说明本公开，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。

在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本公开。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。

虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本公开所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。

可以理解的是，基于背景技术中提出的技术需求，在本公开的一些实施例中，通过在像素单元中引入双转换增益晶体管来实现亮场环境和暗场环境下的成像。具体的，图1示出了一种高转换增益像素单元的电路结构示意图，该种高转换增益像素单元包括：光电二极管001、传输晶体管002、浮动扩散节点a、双转换增益晶体管004、复位晶体管005、源跟随放大器006、行选晶体管007、浮动扩散电容008以及扩展电容009。

如图1所示，可以看出，光电二极管001作为该像素单元的输入，通过传输晶体管002连通浮动扩散节点a；浮动扩散节点a分别连接双转换增益晶体管004的漏极、复位晶体管005的源极以及源跟随放大器006的栅极；双转换增益晶体管004的源极连接扩展电容009；复位晶体管005的漏极以及源跟随放大器006的漏极分别连接对应的漏极电压端Vdd；源跟随放大器006的源极连接行选晶体管007的漏极；行选晶体管007的源极作为该像素单元的输出V_pixout。

在如图1所示的高转换增益像素单元中，可以理解的是，浮动扩散电容008是在浮动扩散节点a处引入的电容，往往是由像素单元具体设计和设置过程中出现的诸多寄生电容所组成的，有关浮动扩散电容008的组成将于后文中进行具体说明，在此不做赘述；而扩展电容009则是双转换增益晶体管004的开关三极管所形成的寄生电容或是外界电容，通过开关三极管控制双转换增益晶体管004的通断来实现浮动扩散电容008和扩展电容009的并联控制。

具体的，在光电二极管001接收到的环境光强大于预设阈值时，即说明像素单元当前处于亮场环境中，此时像素单元工作在低转换增益模式下（low conversion gain，LOWCG），通过打开双转换增益晶体管004，使得浮动扩散电容008和扩展电容009的并联连接并形成一个大容量电容；该大容量电容能够容纳更多光电二极管001中生成的光电子，提升了像素单元的满阱容量（full-well capacity，FWC），提升应用该种像素单元的图像传感器亮场环境下的成像能力。相应的，在光电二极管001接收到的环境光强小于预设阈值时，即说明像素单元当前处于暗场环境中，此时像素单元工作在高转换增益模式下（highconversion gain，HIGH CG），通过关闭双转换增益晶体管004，此时仅有浮动扩散电容008接入像素单元的通路中；由于浮动扩散电容008主要由寄生电容组成，电容值较小，进而使得整个像素单元的转换增益值较高，有利于应用该种像素单元的图像传感器减小读出噪声，提升暗光环境下的成像能力。

可以理解的是，前述实施例通过电路结构示意图对高转换增益像素单元的组成进行了描述，而在本公开的另一些实施例中，通过像素单元的设计示意图和剖面结构图对上述高转换增益像素单元的具体实现做进一步说明。具体的，图2示出了一种高转换增益像素单元在俯视视角下的设计示意图。如图2所示，可以看出，与电路结构示意图不同的是，浮动扩散节点a和浮动扩散电容008被浮动扩散区003所替代，且在图2中仅示出了传输晶体管002的栅极002G、双转换增益晶体管004的栅极004G、复位晶体管005的栅极005G、源跟随放大器006的栅极006G以及行选晶体管007的栅极007G的相对设置位置，这是由于光电二极管001以及各个晶体管的源极和漏极均设置在如图2所示的斜条阴影区域中，该斜条阴影区域对应像素单元的衬底上的有源区（Active Area，AA），有关有源区的分布将于后文中进行具体说明。

结合图1和图2可以看出，浮动扩散区003分别引出两条金属走线，一条连接至源跟随放大器006的栅极006G，另一条连接至有源区301，双转换增益晶体管004的漏极和复位晶体管005的源极一体化设置于有源区301中。此外，双转换增益晶体管004的源极设置于有源区302，通过引出一条金属走线与扩展电容009相连接；复位晶体管005的漏极和源跟随放大器006的漏极一体化设置于有源区303中，通过引出一条金属走线连接漏极电压端；行选晶体管007的漏极与源跟随放大器006的源极一体化设置于有源区304中；行选晶体管007的源极设置于有源区305中，以作为像素单元的输出。

进一步的，于上述实施例中，图3示出了一种高转换增益像素单元中的部分在竖直平面上的剖面结构示意图，能够更加清晰地展示该种像素单元的设置结构。具体的，如图3所示，可以看出，像素单元具有衬底100；衬底100的第一面（即如图3所示的参照系中衬底100的上表面）设置有介质层200，所有晶体管结构的栅极均设置于介质层200远离第一面的第二面（即如图3所示的参照系中介质层200的上表面），以形成多晶硅栅极层；有源区对应图3中的斜条阴影区域，位于衬底100第一面的下方并具有朝向第一面的开口。对照前述图1及图2，在如图3所示的剖面结构示意中，浮动扩散区003、一体化设置有双转换增益晶体管004的漏极和复位晶体管005的源极的有源区301以及源跟随放大器006的栅极006G，均通过接触孔结构400连接金属走线层500，以实现如图1及图2所示实施例中的金属走线设计。

可以理解的是，通过上述实施例的相关说明，本公开提供的高转换增益像素单元能够满足高动态范围的成像需求，并从电路原理、像素设计、物理结构等多方面对该种高转换增益像素单元的具体实现进行了阐释。基于前述说明，本领域技术人员可以理解的是，该种高转换增益像素单元在亮场环境下的成像能力可以通过对扩展电容009的动态调整进行自由设置，但其在暗场环境下的成像能力取决于浮动扩散区003的电容值：浮动扩散区003的电容值越小，与之反相关的转换增益值就越高。为了进一步提升该种高转换增益像素单元在暗场环境下的成像能力，需要对浮动扩散区003的电容值进行进一步减小。

在如图3所示的剖面结构示意图中，可以看出，浮动扩散区003对应的电容主要有各类寄生电容所构成，其中包括金属走线电容601、双转换增益晶体管004的漏极电容602、复位晶体管005的源极电容603、源跟随放大器006的栅极电容604以及浮动扩散区003的自身电容605（其中包含了浮动扩散区003与传输晶体管栅极002G的交叠电容以及浮动扩散区003自身的PN结电容）。通过对一个3微米的高增益像素单元进行仿真可以计算得到如下所示的各类寄生电容数据：其中金属走线电容601对应的寄生电容值为0.45fF、漏极电容602以及源极电容603对应的寄生电容值为0.24 fF、栅极电容604对应的寄生电容值为0.14fF、自身电容605对应的寄生电容值为0.12fF。

可以看出，经过仿真模拟可以得到浮动扩散区003对应的电容值为0.95fF，接近1fF，对应的转换增益值约为170 uV/e-，在暗场环境下的成像能力有限。而在浮动扩散区003对应的寄生电容构成中可以看出，金属走线导致的寄生电容占据了大比重，想要通过减少浮动扩散区003的电容值来优化像素单元在暗场环境下的成像能力，可以对金属走线的布局进行进一步优化：

具体的，图4示出了一种高转换增益像素单元在俯视视角下的优化设计示意图。与图2所示的设计示意图不同的是，浮动扩散区003不再通过金属走线与双转换增益晶体管004的漏极和复位晶体管005的源极进行连接，而是直接与双转换增益晶体管004的漏极和复位晶体管005的源极融合成一体，即浮动扩散区003同时作为双转换增益晶体管004的漏极和复位晶体管005的源极。这样设置的优势在于取消了两者之间的金属走线，能够有效降低金属走线带来的寄生电容，从而实现对浮动扩散区003的电容值的减小。图4所示的优化设计结构对于高转换增益像素单元的其他设置结构采用与前述实施例相同的设置，在此不做赘述。

相应的，图5示出了如图4所示的高转换增益像素单元中的部分在竖直平面上的剖面结构示意图，对照图3可以看出，图5所示的剖面结构示意图中不包含浅槽隔离结构，浮动扩散区003对应的寄生电容构成包括金属走线电容701、源跟随放大器006的栅极电容702以及浮动扩散区003的自身电容703。

其中具体的，如图5所示，由于浮动扩散区003同时作为双转换增益晶体管004的漏极、复位晶体管005的源极以及传输晶体管002的漏极，因此浮动扩散区003在衬底100第一面上的投影与传输晶体管栅极002G、双转换增益晶体管栅极004G以及复位晶体管栅极005G在第一面上的投影存在至少一部分重叠区域，因此浮动扩散区003与传输晶体管栅极002G、双转换增益晶体管栅极004G以及复位晶体管栅极005G之间均存在一定的交叠电容，这些交叠电容与浮动扩散区003自身的PN结电容共同构成了浮动扩散区003的自身电容703。

可以理解的是，采用如图4所示的优化设计，通过减少金属走线降低金属走线带来的寄生电容，但是却相应增加了浮动扩散区003的面积。如图4所示可以看出，浮动扩散区003在水平平面上的投影呈T字型，包括呈条状的第一部以及呈条状且垂直于第一部的第二部，双转换增益晶体管栅极004G和复位晶体管栅极005G分别位于第一部的两端，传输晶体管栅极002G位于第二部远离第一部的一端，相比图2所示的像素设计结构，浮动扩散区003的面积有了一定程度的增大，这会导致浮动扩散区003自身的PN结电容扩大。

为了进一步优化上述高转换增益像素单元，图6及图7示出了另一种高转换增益像素单元在俯视视角下的优化设计示意图，通过尽可能减小双转换增益晶体管004的漏极以及复位晶体管005的源极的特征尺寸，来减小浮动扩散区003的面积。如图6或图7所示，可以将第一部的宽度自中心向两端单调递增，使得第一部从如图4所示的条状结构转变化如图6或图7所示的内凹结构，此时浮动扩散区003在俯视视角下呈现Y字型，双转换增益晶体管栅极004G、复位晶体管栅极005G以及传输晶体管栅极002G分别位于Y字型的三个端部。可以看出，在图6所示的Y字型结构中，侧边A和侧边B呈斜线状；而在图7所示的Y字型结构中，侧边A和侧边B 呈弧线状，本领域技术人员可以理解的是，无论采用弧线设计还是采用直线设计，都属于本公开提供的技术方案，即是为了形成Y字型的三叉结构，并相对于如图4所示的T字型结构减少了浮动扩散区003在第一面上的投影面积。采用如图6或图7所示的优化结构能够在保证各个部件正常电气工作的情况下减小浮动扩散区003在俯视视角下的面积，从而减少浮动扩散区003自身的PN结电容。

对于如图6所示的优化设计结构，同样通过对一个3微米的高增益像素单元进行仿真可以计算得到如下所示的各类寄生电容数据：其中金属走线电容701对应的寄生电容值为0.30fF；栅极电容702对应的寄生电容值为0.14fF；自身电容703对应的寄生电容值为0.27fF。其中，自身电容703包括第一交叠电容、第二交叠电容、第三交叠电容以及PN结电容，第一交叠电容为浮动扩散区003与传输晶体管栅极002G的交叠电容，其值为0.036fF；第二交叠电容为浮动扩散区003与双转换增益晶体管栅极004G的交叠电容，其值为0.058fF，第三交叠电容为浮动扩散区003与复位晶体管栅极005G的交叠电容，其值为0.058fF；PN结电容对应的寄生电容值0.12fF。

可以看出，相对于前述实施例所示的各项寄生电容，采用如图6所示的优化设计结构，大幅度减少了金属走线电容，去除了复位晶体管005的源极电容603以及源跟随放大器006的栅极电容604，虽然浮动扩散区003的自身电容有所增加，但浮动扩散区003整体的电容值从0.95fF降低到了0,71fF，对应的转换增益值从170 uV/e-增大到了225 uV/e-，提升了约30%的转换增益，能够在暗场环境下提供更好的成像效果。

在本公开的另一些实施例中，还提供了一种图像传感器，该种图像传感器搭载了前述实施例所提供的像素单元，从而实现对于暗场环境下图像传感器成像效果的提升。

综上所述，通过本公开提供的技术方案，提供了一种具有高动态范围成像能力的像素单元，通过将浮动扩散区与双转换增益晶体管的漏极和复位晶体管的源极进行融合设置，避免了额外的金属走线设置，降低了浮动扩散区对应的浮动扩散电容；同时，通过对浮动扩散区的形状进行优化，进一步降低了浮动扩散电容，使得像素单元在暗光环境下的转换增益值得到了显著提升，进而提升了图像传感器在暗光环境下的成像效果，具有可推广价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本公开所作的进一步详细说明，不能认定本公开的具体实施只局限于这些说明。对于本公开所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本公开的保护范围。