DE19707928A1

DE19707928A1 - Pixelsensorzelle

Info

Publication number: DE19707928A1
Application number: DE19707928A
Authority: DE
Inventors: Richard Billings Merrill
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: Foveon Inc
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1997-09-04
Also published as: US5854498A; KR970066691A; US5721425A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Pixelsensorzel le nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Ladungsgekoppelte Komponenten (CCD) sind hauptsächlich für konventionelle bildgebende Schaltkreise verwendet worden, um ein Pixel Lichtenergie in ein elektrisches Signal umzusetzen, das die Intensität der Lichtenergie repräsentiert. Im allgemeinen verwenden CCD-Komponenten ein Photogate, um die Lichtenergie in eine elektrische Ladung umzuset zen, sowie eine Serie von Elektroden, um die an dem Photogate gesammelte Ladung an einen Ausgangsleseknoten zu übertragen.

Obwohl CCD-Komponenten viele Stärken einschließlich einer ho hen Empfindlichkeit und eines hohen Füllfaktors haben, leiden sie auch an einer Anzahl von Schwächen. Die bemerkenswerteste dieser Schwächen, welche begrenzte Ausleseraten und Beschränkungen bezüglich des Dynamik bereichs umfassen, ist die Schwierigkeit, CCDs mit auf CMOS basierenden Mikroprozessoren zu integrieren.

Um die Beschränkungen der auf CCD-Komponenten basierenden bildgebenden Schaltungen zu überwinden, verwenden jüngere bildgebende Schaltungen aktive Pixelsensorzellen, um ein Pixel Lichtenergie in ein elektrisches Signal umzusetzen. Bei aktiven Pixelsensorzellen wird typi scherweise eine konventionelle Photodiode mit einer Anzahl von aktiven Transistoren kombiniert, die zusätzlich zur Bildung eines elektrischen Signals für Verstärkung, Auslesesteuerung und Rücksetzsteuerung sorgen.

Eine bekannte aktive Pixelsensorzelle auf CMOS-Basis umfaßt eine Photodiode, einen Rücksetztransistor, dessen Source mit der Photo diode verbunden ist, einen Puffertransistor, dessen Gate mit der Photo diode verbunden ist, und einen Zeilenanwähltransistor, dessen Drain in Serie mit der Source des Puffertransistors liegt.

Der Betrieb der aktiven Pixelsensorzelle erfolgt in drei Schritten: einem Rücksetzschritt, in welchem die Zelle von dem vorherge henden Integrationszyklus zurückgesetzt wird, einem Bildintegrations schritt, in dem die Lichtenergie gesammelt und in ein elektrisches Si gnal umgesetzt wird, und einem Signalausleseschritt, in dem das Signal ausgelesen wird. Während des Rücksetzschrittes wird das Gate des Rück setztransistors kurzzeitig mit einer Rücksetzspannung von z. B. 5 V ange steuert, was die Photodiode auf eine anfängliche Integrationsspannung zurücksetzt, die gleich V_R-V_T ist, worin V_R die Rücksetzspannung und V_T die Schwellenspannung des Rücksetztransistors repräsentiert.

Während der Integration fällt Lichtenergie in Form von Photo nen auf die Photodiode, wodurch eine Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren erzeugt wird. Die Photodiode ist so ausgelegt, daß sie die Rekombination zwischen den neu gebildeten Elektronen-Loch-Paaren begrenzt. Im Ergebnis werden die lichterzeugten Löcher von dem Masseanschluß der Photodiode angezogen, während die lichterzeugten Elektronen von der positiven Klem me der Photodiode angezogen werden, wo jedes zusätzliche Elektron die Spannung an der Photodiode herabsetzt.

Am Ende der Integrationsperiode ist die abschließende Spannung an der Photodiode gleich V_R-V_T-V_S, worin V_S die Spannungsänderung in folge der absorbierten Photonen repräsentiert. Demgemäß kann die Anzahl von Photonen, die von der Photodiode während der Bildintegrationsperiode absorbiert worden waren, durch Subtrahieren der Spannung am Ende der In tegrationsperiode von der Spannung zu Beginn der Integrationsperiode be stimmt werden, wodurch man den Wert V_S erhält, d. h. ((V_R-V_T)-(V_R- V_T-V_S)).

Nach der Bildintegrationsperiode wird die aktive Pixelsensor zelle ausgelesen, indem man den Zeilenanwähltransistor einschaltet, der bis zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet gewesen ist. Wenn der Zeilenan wähltransistor eingeschaltet wird, verringert die reduzierte Spannung an der Photodiode die Spannung an dem Gate des Puffertransistors, der sei nerseits die Höhe des Stroms, der durch den Puffertransistor und den Zeilenanwähltransistor fließt, verringert. Der Pegel des verringerten Stromes wird dann mittels konventioneller Stromdetektoren erfaßt.

Eines der Probleme solcher aktiver Pixelsensorzellen besteht jedoch darin, daß die Periode, die für die Bildintegration verwendet wird, beispielsweise 30 ms, 1/f-Rauschen in der Zelle hervorruft. Dieses 1/f-Rauschen wirkt prinzipiell so, daß die Schwellenspannung des Rück setztransistors zufällig verändert wird. Im Ergebnis wird die Spannung an der Photodiode zu Beginn der Integrationsperiode genauer definiert durch V_R-V_T-V_alpha, worin V_alpha die Änderung der Schwellenspannung infolge des 1/f-Rauschens repräsentiert. Demgemäß addiert die Verände rung in der Schwellenspannung des Rücksetztransistors einen Fehlerterm V_alpha, der fehlerhafterweise V_S-V_alpha ergibt, d. h. ((V_R-V_T-V_alpha)- (V_R-V_T-V_S)-(V_S-V_alpha)) als die Anzahl der absorbierten Photonen er gibt. Dieser Fehler seinerseits ändert in fehlerhafter Weise die Höhe des Ausgangsstromes durch den Puffertransistor und den Zeilenanwähltran sistor während des Ausleseschrittes, wodurch die Genauigkeit der Zelle begrenzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pixelsensorzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die Einführung von Feh lern in den Ausgangsstrom mit 1/f-Rauschänderungen in der Schwellenspan nung des Rücksetztransistors verringert werden. Diese Aufgabe wird ent sprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierdurch werden rauschbedingte Veränderungen in der Schwel lenspannung des Rücksetztransistors im wesentlichen eliminiert, indem man an seiner Stelle eine Rücksetzdiode verwendet, die in hohem Ausmaß durch das 1/f-Rauschen unbeeinflußt bleibt.

Die aktive Pixelsensorzelle umfaßt eine Wanne eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Substrat eines ersten Leitfähigkeits typs ausgebildet ist, sowie einen Puffertransistor, dessen Gate mit der Wanne verbunden ist. Die Pixelsensorzelle umfaßt ferner eine Rücksetzre gion des ersten Leitfähigkeitstyps, die in der Wanne ausgebildet ist. Durch Bilden einer Rücksetzregion in der Wanne wird eine Rücksetzdiode gebildet, die, wenn sie mit einem Rücksetzspannungsimpuls angesteuert wird, die Spannung an der Wanne ändert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, in der ein Querschnittsdiagramm einer aktiven Pixelsensorzelle 100 gezeigt ist, bei der eine n-Wanne 112, die in einem Halbleitersubstrat 110 von p-leiten dem Typ ausgebildet ist, eine n⁺-Kontaktregion 114 in der n-Wanne 112 und eine p⁺-Region 116, ausgebildet in der n-Wanne 112, vorgesehen sind. Zusätzlich umfaßt die Pixelsensorzelle 110 einen Puffertransistor 118 und einen Zeilenanwähltransistor 120.

Vor der Bildintegration wird im Betrieb die Spannung an der n-Wanne 112 rückgesetzt. Dies erfolgt durch Verwendung einer p⁺/n⁻-Dio de, die sich aus der Ausbildung der p⁺-Region 116 in der n-Wanne 112 er gibt.

Durch Anlegen eines positiven Rücksetzspannungsimpulses Vr an die p⁺-Region 116 wird demgemäß die elektrostatische Potentialbarriere an der p-n-Sperrschicht abgesenkt, wodurch es Elektronen ermöglicht wird, zu der p⁺-Region 116 zu diffundieren. Dieser Verlust an Elektronen hebt seinerseits das Potential der n-Wanne 112. Die n-Wanne 112 wird dann durch die Abfallflanke des Rücksetzspannungsimpulses Vr potential frei gestellt.

Als ein Ergebnis der zunehmenden Spannung an der n-Wanne 112 wird die Sperrschicht zwischen n-Wanne 112 und p-Halbleitersubstrat 110, das mit Masse verbunden ist, zu Beginn jedes Integrationszyklus in Sperrichtung vorgespannt.

Nachdem die Spannung an der n-Wanne 112 rückgesetzt worden ist, ist der nächste Schritt der Beginn der Bildintegration. Während der Bildintegration treffen Photonen die zwischen n-Wanne 112 und p-Halblei tersubstrat 110 gebildete Photodiode, wodurch eine Anzahl von Elektro nen-Loch-Paaren sowohl in der n-Wanne 112 als auch in dem unterlagerten p-Halbleitersubstrat 110 erzeugt wird. Die Anzahl der Elektronen-Loch- Paare ist eine Funktion der Intensität der empfangenen Lichtenergie. Die in der n-Wanne 112 gebildeten Löcher diffundieren ihrerseits zu der p-n-Sperrschicht, wo sie zu dem p-Halbleitersubstrat 110 unter der Wir kung des elektrischen Feldes geführt werden. In ähnlicher Weise diffun dieren in dem p-Halbleiterubstrat 110 gebildete Elektronen zu der p-n-Sperrschicht, wo sie in die n-Wanne 112 gelangen und in der n⁺-Re gion 114 gesammelt werden.

Demgemäß wird mit der Zufügung jedes photogenerierten Elek trons in der n-Wanne 112 die Spannung an der n⁺-Region 114, die als eine Kontaktregion dient, entsprechend reduziert. Die Tiefe der Sperrschicht wie auch die Dicke des p-Halbleitersubstrats 110 sind so ausgelegt, daß die Rekombination der photogenerierten Elektronen-Loch-Paare begrenzt wird.

Im Ergebnis ändert die Photodiode die Spannung der n⁺-Region 114 derart, daß sie proportional der Photonenabsorptionsrate ist. Der Rest der Pixelsensorzelle 100 arbeitet wie oben beschrieben, wobei der Puffertransistor 118 die Höhe des Ausgangsstromes in Reaktion auf die Spannung an der n⁺-Region 114 ändert und der Zeilenanwähltransistor 120 den Ausgangsstrom am Ende jeder Integrationsperiode entsperrt.

Demgemäß wird eine aktive Pixelsensorzelle mit einer Rücksetz diode geschaffen, die sich aus der Bildung der p⁺-Region 116 in der n-Wanne 112 ergibt und die den Rücksetztransistor ersetzt, der üblicher weise verwendet wird, um die Photodiode rückzusetzen. Die Rücksetzdiode unterliegt jedoch sehr geringer oder gar keiner Veränderung infolge 1/f-Rauschens. Im Ergebnis werden hierdurch im wesentlichen alle Schwel lenspannungsänderungen, die durch einen konventionellen Rücksetztransi stor hergerufen werden, eliminiert.

Ein anderer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß durch Ver wenden einer Rücksetzdiode anstelle eines Rücksetztransistors der Span nungsbereich der aktiven Pixelsensorzelle 100 deutlich vergrößert werden kann. Wie oben beschrieben, wird die anfängliche Integrationsspannung an einer Photodiode in einer konventionellen aktiven Pixelsensorzelle durch V_R-V_T definiert, worin V_R die Rücksetzspannung darstellt und V_T die Schwellenspannung des Rücksetztransistors. Infolge des sogenannten "Bo dy-Effekts" liegt die Schwellenspannung des Rücksetztransistors typi scherweise bei etwa 1,5 V. Wenn also ein Rücksetzspannungsimpuls von 5 V verwendet wird, ist die anfängliche Integrationsspannung typischerweise bei etwa 3,5 V, nämlich 5 V-1,5 V.

Der Spannungsabfall über der Rücksetzdiode 116/112 beträgt je doch etwa 0,6 V. Wenn also ein Rücksetzspannungsimpuls von 5 V angelegt wird, wird die anfängliche Integrationsspannung auf etwa 4,4 V erhöht. Die Anwendung der Rücksetzdiode 116/112 ergibt damit eine Zunahme des Spannungsbereichs der Pixelsensorzelle um nahezu 25%.

Ein anderer Vorteil besteht darin, daß eine deutlich kleinere Menge an Siliciumfläche im Vergleich mit der für die Bildung eines kon ventionellen Rücksetztransistors benötigten Fläche für die Bildung der Rücksetzdiode erforderlich ist. Im Ergebnis ist die Abmessung der akti ven Pixelsensorzelle 100 kleiner als jene konventioneller aktiver Pixel sensorzellen.

Die Pixelsensorzelle 110 kann anstelle einer n⁺/p⁻-Photodiode und einer p⁺/n-Rücksetzdiode ebenso gut eine p⁺/n⁻-Photodioden und eine n⁺/p-Rücksetzdioden aufweisen.

Claims

1. Aktive Pixelsensorzelle (100) in einem Halbleitersubstrat (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps (p) mit einer in dem Halbleiter substrat (110) ausgebildeten Wannen (112) zweiten Leitfähigkeitstyps (n) und einen Puffertransistor (118), dessen Gate mit der Wanne (112) ver bunden ist, gekennzeichnet durch eine in der Wanne (112) ausgebildete Rücksetzregion (116) ersten Leitfähigkeitstyps.

2. Verfahren zum Umsetzen von Lichtenergie in ein elektrisches Pixelsignal mittels einer aktiven Pixelsensorzelle (100), die in einem Halbleitersubstrat (110) ersten Leitfähigkeitstyps (p) ausgebildet ist und eine in dem Halbleitersubstrat (110) ausgebildete Wanne (112) zwei ten Leitfähigkeitstyps (n), einen mit seinem Gate an die Wanne (112) an geschlossenen Puffertransistor (118) sowie einen mit dem Puffertransi stor (118) verbundenen und ein Gate aufweisenden Zeilenanwähltransistor (120) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß an das Halbleitersubstrat (110) eine erste Spannung angelegt wird, daß die Wanne (112) durch Anle gen einer die erste Spannung übersteigenden zweiten Spannung über eine in der Wanne (112) ausgebildete Rücksetzregion (116) ersten Leitfähig keitstyps rückgesetzt wird, wobei an das Gate des Zeilenanwähltransi stors (120) während einer vorbestimmten Zeit und nach einer dem Rückset zen der Wanne (112) folgenden vorbestimmten Zeit eine Lesespannung ange legt wird.

3. Verfahren zum Bilden einer aktiven Pixelsensorzelle (100) in einem Halbleitersubstrat (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps (p), wo bei
eine Wanne (112) zweiten Leitfähigkeitstyps (n) in dem Halb leitersubstrat (112), und
ein Puffertransistor (118), der mit seinem Gate mit der Wanne (112) verbunden ist, gebildet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Rücksetzregion (116) ersten Leitfähig keitstyps in der Wanne (112) ausgebildet wird.