具有不对称栅极的提供双向电荷转移的矩阵图像传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种图像传感器，尤其是时间延迟和累积(TDI)传感器。根据本发明，该传感器包括成行的光电二极管，成行的光电二极管与邻近光电二极管的成行的栅极交替。栅极是不对称的，在一侧邻近光电二极管并且在另一侧包括向另一个光电二极管延伸的窄栅极突指(20)。由于其非常窄的宽度，突指赋予电荷的转移方向性。在两个连续的光电二极管(PH1i、PH2i)之间有两个栅极(G2Bi、G2Ai)，两个栅极邻近两个光电二极管，第一栅极的窄突指向第一光电二极管伸出，第二栅极的窄突指向第二光电二极管伸出。可以通过中性化第一栅极或第二栅极而在传感器中选择电荷转移的方向，另一个栅极接收使得电荷能够从一个光电二极管向另一个转移的交替电势。
【专利说明】具有不对称栅极的提供双向电荷转移的矩阵图像传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器，尤其是基于时间延迟并且累积的传感器(或者TDI传感器:时间延迟累积线性传感器)，其中正在观察的景象的点的线的图像通过连续图像的累加而得到重构，其中随着景象垂直于数个感光行地逐步经过传感器的前方，所述连续图像由连续观察景象的相同的线的数个感光行获取。
【背景技术】
[0002]这些传感器用于例如通过卫星观察地球的系统。其包括数个平行的感光像素行；对于各个行的控制电路的序列(曝光时间控制然后光生电荷的读取)对于景象与传感器的相对前进而同步，使得传感器的全部的行见到正在观察的景象的单一的线。接下来，所产生的信号对于正在观察的线的每个点而得到逐点累加。
[0003]理论信号/噪声比通过传感器的行的数量N的平方根的比得到改进。依据应用(工业测试、地球观察、全景牙科X光或者乳房摄影术)，该数量可以为从几行到约几百行。
[0004]另外，相同的行条的像素的灵敏度的不一致性以及像素的暗电流的不一致性由于平均而得到减小，该平均由来自各个行的信号的累加造成。
[0005]在使用电荷转移的图像传感器(电荷耦合设备或CCD传感器)中，通过将在之前像素行中所产生和积累的电荷清空至一个像素行(与景象和传感器的相对位移同步)，信号的逐点累加自然发生并且没有读取噪声。像素的最后的行(具有N次积累的由正在观察的图像线所产生的电荷)可以被读取。
[0006]CCD图像传感器的标准技术使用高电源电压并且消耗大量的电能；该技术基于使用邻近并且互相重叠的多晶硅栅极。
[0007]图像传感器的技术接下来向着使用晶体管的具有有源像素的传感器演进，为简单起见该传感器在下文中将被称为CMOS传感器，因为其一般是使用CMOS (互补金属氧化物半导体)技术制造的；在这些CMOS传感器中，不再存在电荷向着读取电路或寄存器从行到行的转移，但是存在具有晶体管的有源像素，该晶体管收集光生电荷并且将光生电荷直接转化为电压或电流的。因此，传感器的各个行连续提供表示由行所接收的照度的电压或电流。这些结构不能够使得这些电流或电压的求和无噪声地进行；因此，难以生产时间延迟电荷累积线性传感器。然而该制造技术是简单的，其具有低功耗而且其在低电压下工作。
[0008]然而，已经做出了制造CMOS时间延迟电荷累积线性传感器的尝试。
[0009]具体而言，已经尝试了使用开关电容器，其中连续接收的电流得到累积，从而将从在列中的数个像素接收的电荷积累到相同的电容器上(US6906749、W00126382)。
[0010]另一个提供的解决方案是将来自像素行的信号转化为数字值，以便在标号j的积累寄存器中将对应于行的标号j的像素的数字值求和，其中标号j的积累寄存器从N个连续的行中积累对应于相同标号j的像素的数字值(专利FR2906080)。
[0011]还已经提供了使用电荷在像素的内部的积累的解决方案，例如在专利公布US2008/0217661中。其使用比对于在CMOS技术中的制造图像传感器来说严格必需的技术更复杂的技术，或者其在电荷的转移期间遭受损失。
[0012]在专利公布FR2960341中，所提供的传感器使用具有多晶硅的单一栅极水平的CMOS技术、使用栅极与光电二极管的交替。该结构依赖栅极的不对称性，以便施加对于全部电荷共同的转移方向，从而避免电荷在一个方向上或在相反的方向上随机移动。由于该故意的不对称性，其不能够将电荷转移方向选择为与不对称性所施加的方向相对的方向。然而，在一些应用中，使用者会希望能够反转电荷积累的方向。例如在TDI模式下的扫描操作就是这种情况，其需要在扫描的两个相对方向上都能够工作而不反转传感器相对于图像的朝向。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是提供一种生产根据使用电荷转移的结构原理进行操作的传感器的简单解决方案，其使用与CMOS技术电路相容的技术(尤其是仅使用多晶硅的单一栅极水平以用于存储或电荷转移栅极的技术)，然而其能够选择电荷转移的方向。
[0014]根据本发明，提供了一种使用电荷转移的图像传感器，该传感器包括成行的光电二极管，成行的光电二极管与邻近于光电二极管的成行的栅极交替，栅极覆盖第一导电类型的有源层区域，光电二极管通过第二导电类型的个体区域形成在有源层中，所述光电二极管自身由连接至用于有源层的参考电势的第一类型的个体表面区域覆盖，栅极是不对称的，在一侧邻近光电二极管并且在另一侧具有向另一个光电二极管延伸的窄栅极突指，窄突指通过第一导电类型掺杂的绝缘区域彼此分开，绝缘区域比表面区域更多地掺杂并且也连接至有源层的参考电势，该传感器的特征在于，所述传感器包括至少两个独立的栅极，两个独立的栅极邻近属于第一光电二极管行的第一光电二极管并且邻近属于第二光电二极管行的第二光电二极管，两个栅极中的第一窄突指向第一光电二极管延伸，第二栅极的窄突指向第二光电二极管延伸，两个栅极是能够彼此分开地控制的。
[0015]术语“不对称”栅极理解为，在上游侧(接受电荷的侧)与下游侧(供应电荷的侧)之间存在不对称性。可以存在关于平行于电荷位移方向的轴的对称。
[0016]突指足够窄，使得在这些突指下面的有源层的电势被在突指的任意一侧的掺杂绝缘区域的存在所影响，其方式使得，尽管向突指和栅极的主体施加了相同的电势，但是在突指下面的电势低于在栅极的主体下面的电势。
[0017]较低的电势理解为，在突指下面的有源层内生成了对于主体下面的电势的势垒。由较低电势生成的势阱的概念涉及所存储的电荷是电子的事实。为简单起见(并且因为实践中一般如此)，实际上将假设有源层是P型的，光生电荷是电子而不是空穴，并因此，对于电子来说较低电势构成对于较高电势的势阱。
[0018]下面的部分中，将考虑传感器使用P型有源层制造，光电二极管在η型的个体区域中存储电子，分开窄突指的表面区域和掺杂区域是P型。
[0019]在时间中的给定时刻在施加了低电势的给定栅极，存在的电荷不能向位于上游的光电二极管流动，上游侧是栅极包括突指的侧；实际上，这些电子由于绝缘区域的存在而不能在栅极的突指之间流动，还由于由这些区域在突指下面引起的电势而不能在这些突指下面流动；电子只能通过不包括任何突指的栅极的侧向存储栅极的下游的光电二极管流动；在该侧，栅极直接邻近下游光电二极管的表面P区域。相反，当向其施加高电势时，栅极通过端部直接邻近光电二极管的突指可以接收来自位于紧邻上游的光电二极管的电荷。上游侧和下游侧对于第一栅极和第二栅极反转。
[0020]该传感器优选包括用于向第一栅极施加使得电荷能够在第一栅极下面存储和转移的电势序列，同时在一个电荷累积周期期间保持第二栅极的电势为固定值，防止电荷在第二栅极下面存储和转移的装置，还包括用于反转第一和第二栅极的作用的装置，换句话说，向第二栅极施加电势序列同时维持第一栅极的电势为固定值的装置。
[0021 ] 传感器可以根据两个主要模式操作。
[0022]在第一模式，在累积周期期间，栅极(而不是光电二极管)用于存储电荷。在以两个阶段转移电荷的情况下，在一个累积半周期期间在像素列的方向(即电荷转移的方向)上的每隔一个的栅极则保持处于高电势，另一个栅极保持处于低电势；然后在第二累积半周期期间作用反转。然而，仅窄突指向上游方向伸出的栅极服从此序列。窄突指向下游方向伸出的栅极保持低电势，防止其接收电荷或允许电荷经过。
[0023]在第二实施方式中，在累积周期期间使用光电二极管存储电荷；在累积周期期间栅极保持低电势并且不能存储电荷或允许电荷经过。在每个累积半周期的结束时(在以两个阶段转移电荷的情况下)，存储在光电二极管中的电荷通过施加到特定栅极行的短正脉冲得到转移。该脉冲施加到列方向(电荷转移方向)上的每隔一个的栅极，并且栅极的作用在每个累积半周期反转。然而，再次，仅窄突指向上游方向伸出的栅极接收此电势序列。窄突指向下游方向伸出的栅极保持低电势，防止其接收电荷或允许电荷经过。
[0024]两个不对称栅极优选在行方向上并排放置，其方式使得光电二极管在该方向上在两个栅极的整个长度上延伸。
[0025]第二栅极可以分为两个部分，该两个部分在几何上在第一栅极的两侧放置，并且电连接在一起以便同时受到控制。
[0026]或者，也可以设置为，两个栅极中的每一个分为至少两个部分，该至少两个部分与另一个栅极的各部分交替，每个部分包括至少一个窄突指并且相同的栅极各部分电连接在一起。
[0027]优选地，邻近栅极行的光电二极管行的光电二极管的表面面积大于邻近光电二极管的该行的两个栅极的表面面积。在该情况下，光电二极管在累积周期期间存储电荷，而且在栅极下面的存储仅在施加到栅极的短转移脉冲期间发生。
[0028]该传感器可以优选包括以每个光电二极管为中心并且将在邻近光电二极管的栅极的部分的顶部接收的光导引至光电二极管的各自的矩形微透镜(或两个或数个方形微透镜)。
[0029]该图像传感器是时间延迟电荷累积多线性传感器(TDI传感器)，其目的为使用由在各个行的相同标号的像素中的图像点产生的电荷的求和，通过数个像素行连续观察相同的图像线，在一个累积周期期间由标号i的像素的照明产生的电荷加入到在该周期开始时从在前或在后标号的像素接收的电荷。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]阅读参考所附附图展现的随后的具体描述之后，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中:
[0031]-图1显示使用电荷转移的矩阵图像传感器的一般结构；
[0032]-图2以俯视图的方式显示根据本发明的像素列的构成，其具有栅极与邻近栅极的光电二极管的交替的形式；
[0033]-图3和图4显示沿着图2中的线II1-1II和IV-1V的竖直横截面；
[0034]-图5显示在半导体中的连续电势图；
[0035]-图6和图7显示栅极的变化实施方式；
[0036]-图8和图9显示具有设置在每个光电二极管之上的微型透镜的像素列。
【具体实施方式】
[0037]在图1中，可以见到使用电荷转移的图像传感器的一般架构。该传感器包括对光敏感的P个像素的N行矩阵MT。由行标号i并且列标号j的像素Pm的照明引起电荷在累积周期Tint期间被累积到像素中；然后这些电荷转移到行标号i+Ι并且相同列标号j的下一行的像素；在列方向(图中的竖直方向)上的邻近像素布置为随着电荷转移的竖直移位寄存器。
[0038]由N个像素行见到并且积累，传感器可以是供应NxP个图像点的连续图像的矩阵传感器，或者是供应P个点的线图像的多线性TDI传感器。
[0039]在这两种情况下，列像素相当于竖直移位寄存器，但是仅在第二种情况下，一方面在累积周期Tint期间在该像素中电荷由光产生，另一方面来自在前像素的电荷在每个像素内积累。
[0040]如果传感器是时间延迟电荷累积线性传感器，则包含在NxP个像素中的电荷在每个累积周期Tint之后没有被读取，而是与图像在传感器之前的逐步通过相同步地，在N个连续的累积周期期间由N个列像素读取的电荷得到积累。在图像对于传感器的逐步通过的过程中，N个像素行中的每一个连续见到相同的图像线；在标号i的行中积累的电荷(对应于正在观察的图像线)在该行的像素中加入到之前由i_l在前的行读取的电荷，而i_l在前的行在之前的累积期间见到了相同的图像线。在N个累积周期结束时，最后的像素行包含由见到相同的图像线的全部的行所收集的电荷的和。该行由读取电路CL在每个周期Tint的结束时读取，读取电路CL包括在每列的末尾的采样电路，其后是一个或多个数模转换电路(使用CMOS技术)。
[0041]图2中的俯视图显示根据本发明的像素列的结构。所显示的是两个邻近的像素Pi,j和Pi+1,j。在电荷在两个阶段进行转移的配置中，每个像素包括
[0042]-两个光电二极管，
[0043]-位于两个光电二极管之间并且邻近两个光电二极管的栅极，
[0044]-以及位于一个光电二极管与最接近在前或在后像素的光电二极管之间的栅极，这些栅极邻近这两个光电二极管。
[0045]电荷的转移也可以在三个或者四个阶段中进行，在该情况下每个像素将分别存在三个或四个光电二极管:对于每个阶段，为一个光电二极管以及邻近该光电二极管的一侧的栅极。
[0046]本发明将在两阶段转移的情况下进行更详细的描述，而对于在三个或四个阶段中的转移原理是相同的。
[0047]在图2所示的实例中，相应地认为，像素Pq包括第一光电二极管PHlp第二光电二极管Pffi1、位于两个光电二极管之间的栅极G2AjPG2Bi以及位于该像素的第一光电二极管PHli与标号1-Ι的在前像素的第二光电二极管ΡΗ2^之间的栅极GlAi和GlBp
[0048]第二光电二极管Pffii而且邻近两个栅极GlAi+1和GlBi+1，栅极GlAi+1和GlBi+1组成下一个像素的一部分并且也邻近该下一个像素的第一光电二极管PHli+1。最后，对于像素Pi+1,j，存在另一个光电二极管PH2i+1以及邻近光电二极管PHli+1以及光电二极管PH2i+1的栅极 G2Ai+1 和 G2Bi+1。
[0049]像素矩阵从而由光电二极管的行与位于两个光电二极管的行之间的栅极的行交替构成。栅极邻近两行的光电二极管；在相同的栅极的行中，对于每个光电二极管，两个分开的栅极(例如GlAi和GlBi)受到彼此独立的控制。如果行包括P个像素，则每个栅极的行中有2P个栅极。
[0050]如同在图2的俯视图中可见的，栅极的形状是不对称的。考虑例如栅极G2Bi，该栅极的一侧沿着其完整长度邻近第一光电二极管(PHli)。另一侧邻近第二光电二极管(PH2J，但是仅通过向第二光电二极管延伸的端部窄栅极突指20邻近第二光电二极管。栅极的剩余部分通过P型高掺杂(通过命名法P+象征的强掺杂)的半导体区域18与第二光电二极管分开。
[0051]这里，表达法“窄突指”意味着该突指的宽度足够小，从而在这些突指下面的半导体内的电势被区域18的电势影响，而不仅被施加到栅极的电势影响。在窄突指之外的在栅极下面的电势不受区域18的电势影响而是仅由施加到栅极的电势限定。
[0052]根据本发明，位于第一光电二极管(例如PHli)与第二光电二极管(例如Pffii)之间的两个栅极中的一个具有向第一光电二极管伸出的窄突指，但是另一个栅极具有向第二光电二极管伸出的窄突指。这里，G2Bi的窄突指向第一光电二极管伸出，G2Ai的窄突指向第二光电二极管伸出。
[0053]其操作如下:根据使得电荷转移的序列，如果需要从突指的顶部向突指的底部(从而从第一二极管向第二二极管转移电荷，则全部左手侧栅极
通过维持其电势处于低值而被禁用，并且右手侧栅极被启用。该序列由栅极电势在低值(电源的低电势O伏特)与高值(电源的高电势Vdd)之间交替构成。该序列将在下文中更详细地进行描述。
[0054]全部栅极GlB连接在一起，以便在第一累积半周期的结束时交替地接收该低值和该高值。类似地，全部栅极G2B连接在一起，以便在第二累积半周期的结束时接收转移脉冲。
[0055]为了在另一个方向转移电荷，在左手侧栅极(GA)使用电势的交替，而右手侧栅极(GB)通过维持其电势处于低值而被中性化。栅极GlA连接在一起，但是独立于栅极G1B。类似地，栅极G2A连接在一起，但是独立于栅极G2B。
[0056]因此，通过突指在上游朝向上转向的栅极，电荷的转移从上游方向向下游方向发生。如果选择了给出的转移方向，则必须因此使用突指在上游朝向上转向的栅极，而突指在下游朝向上转向的栅极中性化。
[0057]图3和图4显示该传感器的结构的横截面视图。图3中的视图是通过窄突指20的沿着图2中的线II1-1II的横截面。图4中的视图是沿着图2中的线IV-1V的横截面，其中没有突指但是有在栅极与光电二极管之间的P+区域18。
[0058]像素形成在半导体衬底10中，半导体衬底10上部的是有源、轻掺杂、外延半导体层12。在该实例中，衬底是高掺杂的p++型，有源外延层是P-型。如果外延层是η型，则需要颠倒全部的导电类型，以及施加到光电二极管和栅极的电势的符号。理论上，衬底是与外延层相同的导电类型，但是其也可以是相反的类型。
[0059]栅极是通过薄绝缘层13 (氧化或氮化硅)与外延层12绝缘的多晶硅栅极。光电二极管是“针”型光电二极管，换句话说这些光电二极管由多层形成，所述多层包括:P型的外延层12(对于全部像素的全部光电二极管共有的有源层)、扩散到在两个转移栅极之间的外延层中的η型的个体区域14以及覆盖个体区域14并且保持固定电势的比外延层更多掺杂的P型的表面个体区域16。由照明产生的电子将能够在η区域与外延P层之间的结形成的势阱中积累。
[0060]仅在图4中可见的P+型掺杂的区域18比表面区域16更多地掺杂。施加到区域18的是参考低电势(有源层12的电势)。区域18邻近表面区域并且将表面区域的电势带到该电势。
[0061]如果表面区域16非常浅(为了提升在蓝色中的敏感性所需的)，则区域18优选比区域16更深。
[0062]像素列由绝缘区域STI (硅的氧化物或者其他绝缘体)分开，绝缘区域STI防止电荷在不同列的像素之间的任何转移。
[0063]图5显示有源层的内部的在电荷的存储和转移的深度(换句话说，在有源层的顶部表面的稍下面)的电势图。
[0064]电势在操作的各个阶段期间被显示并且考虑到了在窄突指下面的电势(对于给定的施加到栅极的电势)与在栅极的剩余部分下面的电势不相同(实际上是由于突指的狭窄性)。更具体而言，对于给定的施加到栅极并且从而也施加到栅极的窄突指的电势，P+区域18(围绕窄突指)的低电势发挥的影响倾向于将在窄突指下面的半导体中的电势相对于在栅极的剩余部分下面的半导体中的电势减小，但是不会将其减少得与在P+区域中减少得一样多。根据通常的惯例，增加电势指向向下，以便使得势阱以及势垒对于电子来说显而易见。
[0065]所显示的电势图对应于沿着在图2中的横截面线V-V的电势变化，横截面V-V显示在这些图的上面以便于理解。
[0066]两种操作模式是可能的:
[0067]-电荷在累积周期期间在栅极下面积累的模式；在该情况下，在第一累积半周期期间，高电势施加到在列方向(电荷转移的方向)上的每隔一个的栅极，该高电势在正在考虑的栅极下面生成势阱；其他栅极接收低电势；在第一累积半周期结束时，栅极的角色反转:原来具有高电势的栅极接收低电势，原来具有低电势的栅极接收高电势。该顺序仅考虑窄突指向上游朝向的栅极。其他的则接收固定的低电势并且既不能接收电荷也不能允许电荷经过；
[0068]-电荷在累积期间在光电二极管中而不是在栅极下面积累的模式；栅极仅仅在短暂的转移操作期间存储电荷。
[0069]图5对应于第二模式，其对应于两个阶段的操作，这意味着具有大致正方形的形状的每个像素包括两个光电二极管，而且累积周期分解为具有在每个半周期之后的电荷部分转移的两个累积半周期。应当牢记，随着像素具有包括三个或四个光电二极管的大致正方形的形状，该传感器可以在三个或四个阶段中操作。
[0070]图5对应于电荷从图2中的顶部到底部的转移，换句话说，有源地使用右手侧的栅极G1B、G2B以通过这些栅极进行转移，而左手侧的栅极G1A、G2A中性化。
[0071]对于图的每一个步骤，显示了有源沟道的电势Vart，但也显示了中性化沟道的电势Vmut (其不随时间变化但是起到阻止电荷在中性化栅极下面经过的作用)。
[0072]中性化的栅极G1A、G2A在全部的累积和电荷转移周期期间保持低电势。电荷的存储和转移不能在这些栅极下面发生。
[0073]光电二极管(假设全无电荷)中的半导体电势具有通过下述事实而固定的值:P型的表面层保持在有源层的参考电势。空光电二极管的基础电势表不为虚线；其取决于在光电二极管中的区域12、14、16的掺杂分布。
[0074]电势在一个累积周期Tint (分解为时长为Tint/2的两个阶段)中变化。
[0075]图5的图中的两行的第一组表不有源层在第一累积半周期(从初始时间O到时间Tint/2)期间的内部电势。全部的栅极G1B、G2B处于低电势(如同栅极G1A、G2A)并且电荷在光的影响下在形成在光电二极管下面的势阱中逐渐积累。这些阱由施加到有源栅极以及中性化栅极的低电势关闭。其也由P+区域18关闭，p+区域18形成的势垒甚至高于形成在栅极下面的势垒。最后，其也由绝缘区域STI关闭，绝缘区域STI将像素列彼此分开。
[0076]图的行的第二组表示在时间Tint/2-ε的内部电势，换句话说，就在第一累积半周期Tint/2结束之前的内部电势。在此时间周期期间光电二极管获取了照明产生的全部电荷。
[0077]行的第三组表示将短转移脉冲施加到每隔一个的有源栅极的时刻。这里，栅极GlB(GlB1、GlBi+1等)全部接收该转移脉冲但是栅极G2B (G2Bp G2Bi+1)不接收该转移脉冲。
[0078]转移脉冲处于高电势，其在接收其的栅极下面生成势阱。在光电二极管中积累的电荷变为存储在与其邻近的栅极下面。这意味着，栅极GlBi接收来自光电二极管PHli的电荷但也(通过其窄突指)接收来自位于紧邻上游的像素的光电二极管ΡΗ2η的电荷。相似地，栅极GlBi+1接收来自光电二极管PiEi的电荷但也接收来自位于紧邻下游的像素的光电二极管PHli+1的电荷。
[0079]行的第四组表示在时间Tint+ε的电势状态，换句话说，在短转移脉冲结束之后的电势状态。在栅极GlB下面的电势回到其开始的低电势。存储于栅极GlB的电荷排放到下游侧的邻近光电二极管中。其不会向上游光电二极管移动，因为其仅能够在窄突指下面经过(ρ+区域18形成垒)，但是在窄突指下面的电势低于在栅极下面的剩余的电势，而且电荷自然在下游方向上朝向。因此只有光电二极管PHl(PHlpPhlw)接收电荷，光电二极管ΡΗ2保持电荷全无。
[0080]行的第五组表示第二累积半周期的结束，紧邻地在新的转移脉冲之前的时间Tint-ε。光电二极管Pffii充满了在第二累积半周期期间该光电二极管的照明所产生的电荷，但是同时光电二极管PHli充满了在该半周期期间由像素的照明所产生的电荷以及在在前的转移脉冲期间转移的源自光电二极管PHli和ΡΗ2η的电荷。
[0081]行的第六组表示在时间Tint的在第二短转移脉冲期间的电势状态。栅极G2B的电势上升至高水平以便在这些栅极下面生成势阱。栅极GlB的电势不改变。来自邻近栅极G2Bi的光电二极管PHli和Pffii的电荷在栅极G2Bi下面移动。
[0082]最后，行的第七组表示在时间Tint+ε的最后电势状态，在短转移脉冲结束时的最后电势状态。栅极G2B的电势被带回到低状态。电荷回到光电二极管中，但是是以在从上游向下游的方向上的单侧方式，因为势垒在窄突指下面较高而在栅极的剩余部分下面较低。光电二极管ΡΗ2充满暂时存储在栅极G2B下面的电荷。光电二极管PHl保持电荷全无。
[0083]该最后状态构成新的累积周期的初始状态。包含于光电二极管PiEi中的电荷是之前包含(在时间O)在光电二极管ΡΗ2η中的电荷、在第一累积半周期中由光电二极管ΡΗ2η和PHli产生的电荷以及在第二累积半周期期间由光电二极管PHlJPPffii产生的电荷的和。在该初始状态，光电二极管PHl (PHli和PHli+1)电荷全无。
[0084]整体的电荷转移方向从左走到右，换句话说，在累积周期Tint的开始时在上游像素的第二光电二极管ΡΗ2η中积累的电荷在后累积周期的开始时与在周期Tint期间产生的电荷一起处于下一个像素的第二光电二极管PiEi中。因此而具有:电荷向右的单向转移以及在前像素积累的电荷与在当前像素产生的电荷的求和，其全部给出了 TDI型的操作。
[0085]通过反转栅极GA和GB的角色并且通过保留相同的信号时间表，转移方向得到反转。
[0086]进行的模拟显示，势垒BPli和BP2i的高度随着窄突指20的宽度强变化；一般而言，其对于从0.7微米到0.1微米变化的突指宽度可以从0.5伏特到2.5伏特变化；这些值只是指示性的，因为其取决于所用的刻蚀技术和注入水平。突指的宽度小于或等于0.4微米是优秀的选择。在转移方向上的突指的长度可以是约0.4微米。
[0087]应当注意，相同栅极的突指的端部可以通过栅极的窄带连接在一起。
[0088]电荷优选在列的端部排放到一系列的电荷存储结点和电荷-电压转换电路(与矩阵的每列相联系的一个电荷存储结点和一个电荷-电压转换电路)。转换电路包括几个晶体管，类似于使用CMOS技术的传感器有源像素的晶体管，其中是跟随晶体管和复位晶体管。转换电路然后优选与相关双采样电路相联系，相关双采样电路首先在电荷存储结点的电势复位的时刻采样复位电势水平，然后在将电荷从矩阵的最后行排放到电荷存储结点中之后采样有用信号的水平。两次采样的差别被模数转换器转换。可以为每个像素列提供单元转换器或者全局转换器为每个列按序列地进行转换。
[0089]图6显示栅极的一种变化实施方式:在与像素相联系并且构成相同的栅极行的一部分的两个栅极中，设置为栅极中的一个(GlB)分成由未显示的导体电连接在一起的两个部分，这两个部分设置在另一个栅极(GlA)的任意一侧。
[0090]图7显示另一个变化，其中两个栅极GlA和GlB分为至少两个部分，而且栅极中的一个的各部分与另一个栅极的各部分几何上交替。每个部分包括至少一个窄突指，该窄突指依据其是栅极GA的部分或是栅极GB的部分而向一个或另一个光电二极管伸出。
[0091]无论栅极的构造如何，都存在几何调制转移功能劣化的风险，这是因为在栅极(栅极是透明的)下面的半导体中产生的电子将自然导引到邻近栅极的一个或另一个光电二极管。依据该捕捉发生在累积半周期中的一个或另一个期间，其具有或不具有对于MTF的负面结果。
[0092]从而，例如:
[0093]-在第二累积半周期期间在栅极G2Bi下面产生的电子通常导引向光电二极管PHi2 ;在之后的转移脉冲期间，其向栅极G2Bi然后向光电二极管PiEi导引；
[0094]-在相同时刻在栅极G2Ai下面产生的电子通常导引向光电二极管PHli;在之后的转移脉冲期间，其也向栅极G2Bi然后向光电二极管Pffii导引。
[0095]在该情况下，对于电子的处理不存在依据电子产生在栅极G2Ai或栅极G2Bi下面的差别，而这是有益的。
[0096]然而:
[0097]-在第一累积半周期期间在栅极G2Bi下面产生的电子通常导引向光电二极管PHi2 ;在之后的转移脉冲期间，其向栅极GlBi+1然后向光电二极管PHli+1导引；
[0098]-相反，在相同时刻在栅极G2Ai下面产生的电子通常导引向光电二极管PHli;在之后的转移脉冲期间，其向栅极GlBi然后向光电二极管PHli反向移动。
[0099]因此，存在着依据电子产生在栅极G2Bi下面或栅极G2Ai下面的处理上的区别；通过将来自一个像素的电子与来自另一个像素的电子混合，该区别对调制转移功能有害。
[0100]为了避免此劣化，提供的解决方案是使用聚焦微透镜覆盖每个半像素，聚焦微透镜将在半像素的表面的顶部接收的光汇聚到光电二极管。从而，电子将在系统上产生于光电二极管而不是在栅极下面。
[0101]在图8的实施方式中，微透镜ML具有矩形的形状并且以光电二极管为中心。其覆盖整个光电二极管，以及位于光电二极管的任意一侧的栅极的表面区域的一半。覆盖两个各自的半像素的两个邻近的微透镜覆盖对应于整个像素的大约为方形的形状。
[0102]在图9的实施方式中，解决方案为提供成行的两个邻近的方形微透镜MLa和MLb而不是矩形微透镜。每个微透镜以光电二极管的一半为中心，并且覆盖该光电二极管的一半以及邻近该光电二极管的一半的栅极的一半。四个邻近的方形微透镜覆盖对应于整个像素的大约为方形的表面区域。
【权利要求】
1.一种使用电荷转移的图像传感器，所述传感器包括成行的光电二极管，成行的光电二极管与邻近于光电二极管的成行的栅极交替，栅极覆盖第一导电类型的半导体有源层区域(12),所述光电二极管通过第二导电类型的个体区域(14)形成在有源层中，所述光电二极管自身由连接至用于有源层的参考电势的第一类型的个体表面区域(16)覆盖，所述栅极展现出在上游侧与下游侧之间的不对称性，在一侧邻近光电二极管并且在另一侧具有向另一个光电二极管延伸的窄栅极突指(20),窄突指通过第一导电类型掺杂的绝缘区域(18)彼此分开，所述绝缘区域(18)比表面区域更多地掺杂并且也连接至有源层的参考电势，所述传感器的特征在于，所述传感器包括至少两个独立的栅极，所述两个独立的栅极(624428]邻近属于第一光电二极管行的第一光电二极管并且邻近属于第二光电二极管行的第二光电二极管⑴取》，两个栅极中的第一个栅极的窄突指向所述第一光电二极管延伸，第二栅极的窄突指向所述第二光电二极管延伸，两个栅极是能够彼此分开地控制的。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括用于向第一栅极施加使得电荷能够在所述第一栅极下面存储和转移的电势序列，同时在一个电荷累积周期期间保持第二栅极的电势为固定值，防止电荷在所述第二栅极下面存储和转移的装置，并且包括用于反转所述第一栅极和所述第二栅极的作用的装置，换句话说，向所述第二栅极施加电势序列同时维持所述第一栅极的电势为固定值的装置。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，施加到所述第一栅极或所述第二栅极的电势序列包括在第一累积周期(1-/2)期间施加阻止电荷在栅极下面存储的电势，然后对特定的栅极行施加短脉冲以在这些栅极下面生成势阱，所述势阱能够使得电荷从邻近栅极的光电二极管排放远至栅极下面。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的传感器，其特征在于，两个不对称栅极在行的方向上并排放置。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的传感器，其特征在于，所述第二栅极分为两个部分，所述两个部分在几何上在所述第一栅极的任意一侧放置，并且电连接在一起以便同时受到控制。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，两个栅极中的每一个分为至少两个部分，所述至少两个部分与另一个栅极的部分交替，一个栅极的部分电连接在一起，每个部分包括至少一个窄突指。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的图像传感器，其特征在于所述图像传感器是时间延迟电荷累积传感器，其目的为使用由在各个行的相同标号的像素中的图像点产生的电荷的求和，通过数个像素行连续观察相同的图像线，在一个累积周期期间由标号1的像素的照明产生的电荷加入到在该周期开始时从在前或在后标号的像素接收的电荷。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括各自的矩形微透镜，所述矩形微透镜以每个光电二极管为中心并且将在邻近光电二极管的栅极的部分的顶部接收的光导引至所述光电二极管。
9.根据权利要求1至7中的一项所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器在每个光电二极管的顶部包括至少两个并列方形微透镜，所述两个方形微透镜形成以所述光电二极管的上方为中心的组合，并且将在所述光电二极管的顶部和邻近所述光电二极管的栅极的部分的顶部接收的光导引至所述光电二极管。
【文档编号】H01L27/148GK104303306SQ201380023055
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2012年5月3日
【发明者】F·迈耶 申请人:E2V半导体公司