專利名稱：光電轉(zhuǎn)換器件和圖像傳感器ic的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。本發(fā)明還涉及一種適用于圖像讀取裝置，例如傳真機(jī)或圖像掃描儀的圖像傳感器IC，及在其上裝配有多個(gè)圖像傳感器IC的緊密接觸型圖像傳感器。本發(fā)明還涉及一種適用于圖像拾取裝置，例如數(shù)字照相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換器件。特別地，本發(fā)明涉及提高光接收元件的靈敏度和降低由復(fù)位操作導(dǎo)致的隨機(jī)噪聲。
背景技術(shù)：
到目前為止，光電轉(zhuǎn)換器件(光接收元件)針對(duì)提高光電轉(zhuǎn)換器件的靈敏度和減小隨機(jī)噪聲從而提高S/N比方面經(jīng)歷了很多改進(jìn)。
關(guān)于光接收元件的靈敏度，光生載流子Qp積累在具有PN結(jié)二極管的光電二極管部分中的電容Cpd中，將所述載流子轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)，由光生載流子轉(zhuǎn)換成的光學(xué)信號(hào)電壓Vp由下列方程式表示Vp＝Qp/Cpd...(1)因此，為了提高光接收元件的靈敏度，就需要俘獲足夠數(shù)量的在PN結(jié)處的光接收區(qū)域中產(chǎn)生的光生載流子，并減小光電二極管部分中的電容Cpd。為了該目標(biāo)，如圖17中所示，在被遮光膜3圍繞的多個(gè)開口4的各個(gè)光接收區(qū)域(N型半導(dǎo)體襯底)內(nèi)部中，形成多個(gè)作為小擴(kuò)散區(qū)域的p型區(qū)域1，1’。已經(jīng)嘗試了在作為擴(kuò)散區(qū)域的P型區(qū)域1，1’中盡可能多地俘獲光接收區(qū)域中產(chǎn)生的光生載流子Qp，另外也減小了光電二極管部分中的電容Cpd(如見JP11-112006 A(第9頁(yè)，圖1))。
此外，在將電二極管初始化的系統(tǒng)中，產(chǎn)生復(fù)位噪聲Vn主要是因?yàn)樵诔跏蓟瘯r(shí)產(chǎn)生了負(fù)責(zé)用于初始化的元件的隨機(jī)噪聲。復(fù)位噪聲Vn由下列方程式表示Vn=(kT/Cpd)...(2)]]>(其中k玻爾茲曼常量，T溫度(K°))然后，從方程式(1)和(2)導(dǎo)出S/N比如下
Vp/Vn=Qp·(1/(kTCpd))...(3)]]>由此，為了提高S/N比，就需要增加光生載流子Qp和減小光電二極管部分的電容Cpd。
有一種通過(guò)用掩埋二極管同時(shí)執(zhí)行復(fù)位操作和電荷轉(zhuǎn)移操作來(lái)防止復(fù)位噪聲產(chǎn)生的方法。然而，該方法遇到的問(wèn)題在于，為了獲得所述掩埋二極管，需要專門的制造工藝，因?yàn)槠洳荒芡ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來(lái)制備。
另外，所述掩埋二極管要求大的結(jié)電容，其導(dǎo)致光電二極管部分的大電容Cpd和靈敏度的降低。
可以通過(guò)在隨后的信號(hào)處理電路中放大來(lái)提高靈敏度。然而在該情形中，每個(gè)電路中的熱噪聲同時(shí)被放大，使其很難獲得高的S/N比。
根據(jù)上面所述，已經(jīng)嘗試了通過(guò)提供圖18中所示的噪聲信號(hào)保持裝置來(lái)消除復(fù)位噪聲，以消除電路范圍上的復(fù)位噪聲為目的(例如見JP09-205588A(第7頁(yè)，圖1))。在使用光電晶體管作為光接收元件的情形中，光電晶體管具有放大功能，因而能獲得高的靈敏度。然而，這產(chǎn)生了一個(gè)缺點(diǎn)，即電荷保留在基極和發(fā)射極之間，所以出現(xiàn)了余像。光電二極管就沒有這樣的缺點(diǎn)。
然而，這種光電轉(zhuǎn)換器件導(dǎo)致了下述問(wèn)題。
采用圖17的光電轉(zhuǎn)換器件，因?yàn)槠湫〉臄U(kuò)散區(qū)域，所以在擴(kuò)散區(qū)域中俘獲光接收區(qū)域外圍附近產(chǎn)生的光電荷的速率下降。因此光生載流子Qp減少。
采用圖18的光電轉(zhuǎn)換器件，噪聲信號(hào)保持裝置應(yīng)以相應(yīng)于光接收元件數(shù)量的數(shù)量來(lái)設(shè)置，其導(dǎo)致了大的芯片區(qū)域。另外，光接收元件的靈敏度相當(dāng)于常規(guī)元件。為了獲得高的靈敏度，需要增大后續(xù)的信號(hào)處理電路中的放大率，以提高靈敏度。在該情形中，除復(fù)位電路之外的其它電路中的熱噪聲同樣被放大，使得很難獲得高的S/N比。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決常規(guī)情形的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種光電轉(zhuǎn)換器件，包括光接收元件，其包括第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)域；形成在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域中的第二導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體區(qū)域；和靠近所述第二半導(dǎo)體區(qū)域經(jīng)過(guò)絕緣體形成的柵電極，其中柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面狀態(tài)能在包括反轉(zhuǎn)狀態(tài)和積累狀態(tài)的兩種狀態(tài)之間得到控制。
此外，所述光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)一步包括用于將所述第二半導(dǎo)體區(qū)域初始化的復(fù)位裝置；和用于基于所述第二半導(dǎo)體區(qū)域的信號(hào)產(chǎn)生放大信號(hào)的放大裝置。
此外，在所述光電轉(zhuǎn)換器件中，當(dāng)光接收元件積累光電荷時(shí)，柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)；而當(dāng)所述光接收元件讀取光學(xué)信號(hào)時(shí)，柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于積累狀態(tài)。
此外，在所述光電轉(zhuǎn)換器件中，當(dāng)光接收元件初始化時(shí)，柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。或者，在所述光電轉(zhuǎn)換器件中，當(dāng)光接收元件初始化時(shí)，柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于積累狀態(tài)。
此外，在所述光電轉(zhuǎn)換器件中，柵電極由多晶硅或透射導(dǎo)電膜形成。此外，本發(fā)明提供一種圖像傳感器，其具有所述光電轉(zhuǎn)換器件。
依照本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器件，在積累光電荷時(shí)，柵電極下方的襯底處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而在襯底中形成溝道和耗盡層，連同第二半導(dǎo)體區(qū)域一起，在光接收區(qū)域中產(chǎn)生的光電荷可以被大量俘獲。因而能夠增加光生載流子Qp。
柵電極由多晶硅形成，因而一部分光穿過(guò)柵電極，由此能夠?qū)⒐馍d流子Qp的減小降到最小。
此外，當(dāng)讀取光學(xué)信號(hào)時(shí)，柵電極下方的襯底處于積累狀態(tài)，于是在柵電極下方的溝道中積累的光電荷移向第二半導(dǎo)體區(qū)域，防止了光生載流子Qp的損失。此時(shí)，光電二極管部分的電容Cpd在柵電極下方不包括電容，從而可以被減小，由此根據(jù)方程式(1)導(dǎo)出可以增大光學(xué)信號(hào)電壓Vp。
此外，當(dāng)初始化光接收元件時(shí)，柵電極下方的襯底處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以光電二極管部分的電容Cpd包括柵電容，由此根據(jù)方程式(2)導(dǎo)出可以減小復(fù)位噪聲Vn。
而且，因?yàn)榇蟮墓鈱W(xué)信號(hào)電壓Vp，所以沒有必要提高信號(hào)處理電路的放大率。因此，減小了除初始化電路以外其他電路的電壓Vn和熱噪聲的影響，由此獲得了高S/N比。
在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中不需要任何附加的步驟就可以獲得上述結(jié)構(gòu)。
另外，使用透射目標(biāo)波長(zhǎng)(探測(cè)對(duì)象)的光的導(dǎo)電膜形成柵電極，由此避免了柵電極透射率的減小，并提供了較大數(shù)量的光生載流子Qp。因而可以獲得高S/N比。
另外，絕大部分光接收元件被具有恒定電位的柵電極覆蓋，由此可以阻擋從上述光接收元件透過(guò)的輻射噪聲。
如上所述，可以以低成本提供具有高S/N比的光電轉(zhuǎn)換器件。
在附圖中圖1是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換器件的光接收元件的平面圖；圖2是圖1中沿線A-A’的截面圖；圖3是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的圖像傳感器IC的示意圖；圖4是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的緊密接觸型圖像傳感器的示意圖；圖5是依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換器件的示意電路圖；圖6是依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換器件的整體結(jié)構(gòu)圖；圖7是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路的框圖；圖8是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的采樣/保持電路的電路圖；圖9是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的緩沖電路的電路圖；圖10是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的放大器電路的電路圖；圖11是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的減法器的電路圖；圖12是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的鉗位電路的電路圖；圖13是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路和光電轉(zhuǎn)換器件的第一操作方法的示意時(shí)序圖；圖14是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路和光電轉(zhuǎn)換器件的第二操作方法的示意時(shí)序圖；圖15是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路和光電轉(zhuǎn)換器件的第三操作方法的示意時(shí)序圖；
圖16是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路和光電轉(zhuǎn)換器件的第四操作方法的示意時(shí)序圖；圖17是顯示常規(guī)光電轉(zhuǎn)換器件的光接收元件的平面圖；以及圖18是常規(guī)光電轉(zhuǎn)換器件的電路圖和時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
之后，將參照附圖描述本發(fā)明。
圖1是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換器件的光接收元件的平面圖，圖2是圖1中沿線A-A’的截面圖。
本發(fā)明的光接收元件包括形成在像素區(qū)域51內(nèi)的作為第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)域的P型半導(dǎo)體襯底區(qū)域60；作為第二導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體區(qū)域的N型半導(dǎo)體區(qū)域54；以及通過(guò)柵極絕緣膜66靠近N型半導(dǎo)體區(qū)域54而形成的柵電極56。柵電極56由透射具有目標(biāo)波長(zhǎng)(探測(cè)對(duì)象)的光的多晶硅或?qū)щ娔ば纬伞?br>
柵電極56與控制信號(hào)線67電連接，所述控制信號(hào)線例如由Al(鋁)通過(guò)接觸63形成。作為光電二極管擴(kuò)散區(qū)域的N型半導(dǎo)體區(qū)域54與NMOS晶體管中源極/漏極區(qū)域的N+區(qū)域的形成同時(shí)形成。另外，光電二極管部分的電容Cpd可以通過(guò)在N型半導(dǎo)體區(qū)域54(N+)的周圍形成作為N型擴(kuò)散區(qū)域的薄N型擴(kuò)散層65而進(jìn)一步被減小。
光電二極管的輸出信號(hào)借助于穿過(guò)N型半導(dǎo)體區(qū)域54的鋁布線53和多晶硅布線62，輸入到復(fù)位電路58用于將二極管初始化，以及輸入到源極跟隨器電路57中用于產(chǎn)生放大信號(hào)。復(fù)位電路58例如由NMOS晶體管組成。源極跟隨器電路57例如由PMOS晶體管組成。
鋁布線53通過(guò)接觸70與N型半導(dǎo)體區(qū)域54連接，并依次通過(guò)接觸61與多晶硅布線62相連。具有VSS電位的鋁55使光接收元件的周圍屏蔽光。
由虛線52表示的是LOCOS氧化膜69的邊界。此外，Al布線53和控制信號(hào)線67形成在中間(層間)絕緣膜64上。
在積累光電荷時(shí)，控制信號(hào)線67用于將柵電極56的電位設(shè)定得比襯底區(qū)域60的電位高。此時(shí)，襯底電位(電導(dǎo)率)被反轉(zhuǎn)為柵電極56下方的N型電位，由此形成了溝道71，并建立了與N型半導(dǎo)體區(qū)域54的電連接。在這種情形中，溝道71與P型半導(dǎo)體區(qū)域60之間存在耗盡層，響應(yīng)于入射光而產(chǎn)生的光電荷在其中被俘獲。
接下來(lái)，如果控制信號(hào)線67用于將柵電極56的電位設(shè)定得比襯底區(qū)域60的電位高，則溝道71消失。然而，在溝道71中積累的光電荷移向鄰近的N型半導(dǎo)體區(qū)域54，由此避免了光電荷的損失。在該情形中，溝道71消失，由此排除了溝道71的電容。結(jié)果，光電二極管部分的電容Cpd減小到N型半導(dǎo)體區(qū)域54的結(jié)電容、源極跟隨器電路57的柵電容、復(fù)位電路58的漏極電容以及布線53和62的電容的總電容。在該情形中，光學(xué)信號(hào)通過(guò)源極跟隨器電路57被讀出。
如上所述，在寬區(qū)域中俘獲的光電荷被移向光電二極管部分的小電容Cpd并被讀出，由此如從方程式(1)導(dǎo)出的允許高靈敏度。在初始化操作時(shí)，控制信號(hào)線67用于將柵電極56的電位設(shè)定得比襯底區(qū)域60的電位高。此時(shí)，襯底電位(電導(dǎo)率)被反轉(zhuǎn)為柵電極56下方的N型電位，如此形成了溝道71。在該情形中，復(fù)位電路58適于將N型半導(dǎo)體區(qū)域54的電位初始化(復(fù)位)。在該點(diǎn)上，N型半導(dǎo)體區(qū)域54和溝道71被電氣地保持在同一電平，因而柵電極56和溝道71的電容計(jì)算在光電二極管部分的電容Cpd內(nèi)，導(dǎo)致一極大的電容值。因此，如方程式(2)導(dǎo)出的，復(fù)位噪聲Vn減小。
此外，大多數(shù)光接收元件被具有恒定電位的柵電極56覆蓋，由此也可以阻擋由上述光接收元件傳輸?shù)妮椛湓肼暋?br>
接下來(lái)參照?qǐng)D2，將描述制造方法。在P型襯底之上形成作為PMOS晶體管襯底的N阱(沒有示出)，同時(shí)形成光電二極管的N型擴(kuò)散層65。N型擴(kuò)散層65可以由N阱獨(dú)立形成或否則被省略。接下來(lái)，形成LOCOS氧化膜69。在其之后，同時(shí)形成晶體管的柵極區(qū)域、和多晶硅柵電極56及多晶硅布線62。
隨后，同時(shí)形成NMOS晶體管的源極/漏極區(qū)域和光電二極管的N型半導(dǎo)體區(qū)域54。然后，形成中間絕緣膜64和接觸孔。之后，同時(shí)形成Al布線和Al 55。然后形成鈍化膜68。
在上述說(shuō)明中，P型襯底可以用N型襯底代替，且P型半導(dǎo)體可以替代N型擴(kuò)散區(qū)域54和N型擴(kuò)散層65的每一個(gè)。
如上所討論的，依照該實(shí)施方案，在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝(制造具有單個(gè)Al層的CMOS晶體管的工藝)中，不需要任何附加的步驟制造目標(biāo)器件是可能的。柵電極56可通過(guò)利用透射給定波長(zhǎng)入射光的任何導(dǎo)電膜來(lái)形成，而代替使用多晶硅。例如，可以形成由ITO等形成的導(dǎo)電膜。此外，柵電極56的電位適當(dāng)設(shè)定為較高的電位或較低的電位。在該應(yīng)用P型襯底的實(shí)施方案中，施加到柵電極56的較高電位是指這樣的電壓，即其感應(yīng)出柵電極56正下方的反轉(zhuǎn)層，而較低的電位是指這樣的電壓，即其能使反轉(zhuǎn)層消失。
圖3是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的圖像傳感器IC的示意圖。圖像傳感器IC 41包括信號(hào)處理電路42；光電轉(zhuǎn)換器件43；參考電壓電路44；和信號(hào)輸出端47。光電轉(zhuǎn)換器件43的公共信號(hào)線連接至信號(hào)處理電路42的輸入端，信號(hào)處理電路42的輸出端依次連接到信號(hào)輸出端47。
圖4是顯示由圖3的圖像傳感器IC 41構(gòu)成的緊密接觸型圖像傳感器的示意圖。緊密接觸型圖像傳感器包括三個(gè)圖像傳感器IC 41。所有圖像傳感器IC 41的信號(hào)輸出端47在外部處相連，信號(hào)通過(guò)終端VOUT2輸出到外部。
圖7是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路42的框圖。輸入到輸入端VIN的信號(hào)輸入到采樣/保持電路21或緩沖放大器23。采樣/保持電路21的輸出信號(hào)輸入到緩沖放大器22中。緩沖放大器22和23的輸出信號(hào)輸入到減法器24。減法器24的輸出信號(hào)輸入到鉗位電路25。減法器24和鉗位電路25具有相同的參考電壓，并與VREF端相連。鉗位電路25的輸出信號(hào)輸入到緩沖放大器26。在這里，可以提供放大器電路來(lái)代替緩沖放大器26。而且，放大器電路的參考電壓一般從VREF端施加。緩沖放大器26的輸出信號(hào)輸入到采樣/保持電路27。采樣/保持電路27的輸出信號(hào)輸入到緩沖放大器28。緩沖放大器28的輸出信號(hào)輸入到傳輸門29。傳輸門29的輸出信號(hào)提供到輸出端VOUT2。注意如果不需要的話，傳輸門29可以省略。
圖8是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的采樣/保持電路的電路圖，其適用于采樣/保持電路21和27。采樣/保持電路包括傳輸門30，虛設(shè)開關(guān)31，和電容器C1。在采樣保持電路中，為了消除φSH和φSHX(反相的φSH)彼此的脈沖噪聲的目的，傳輸門30中的PMOS和NMOS晶體管被設(shè)計(jì)成具有相同的晶體管尺寸，并且虛設(shè)開關(guān)31中的NMOS和PMOS晶體管的柵極面積被設(shè)定為傳輸門中的晶體管的柵極面積的一半。
圖9是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的緩沖放大器的電路圖。該電路包括運(yùn)算放大器32，且適用于緩沖放大器22，23，26和28。注意到緩沖放大器可以是源極跟隨器放大器。
圖10是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的放大器電路的電路圖。該放大器電路包括運(yùn)算放大器32和電阻器。當(dāng)代替緩沖放大器26使用時(shí)，該電路可以提高信號(hào)處理電路的放大率。另外，該放大器電路的參考電壓VREF一般從圖1的VREF端供應(yīng)。
圖11是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的減法器的電路圖。該減法器包括運(yùn)算放大器32和電阻器。在該電路中，通過(guò)從施加到終端INP的電壓中減去施加到終端INM的電壓而獲得的電壓，乘以根據(jù)電阻比確定的增益值，所得結(jié)果以VREF終端的電壓作為參考而輸出。當(dāng)輸入端INP和INM被反相時(shí)，所述輸出可以以VREF終端的電壓作為參考而被反相。
圖12是顯示依照本發(fā)明實(shí)施方案的鉗位電路的電路圖，其適用于鉗位電路25。該鉗位電路包括傳輸門30，虛設(shè)開關(guān)31和電容器33。在該鉗位電路中，以消除φCLAMP和φCLAMPX(反相的φCLAMP)彼此的脈沖噪聲為目的，傳輸門30中的PMOS和NMOS晶體管被設(shè)計(jì)成具有相同的晶體管尺寸，且虛設(shè)開關(guān)31中NMOS和PMOS晶體管的柵極面積設(shè)定為傳輸門中晶體管的柵極面積的一半。
圖5是顯示在依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換器件43中的光電轉(zhuǎn)換模塊An的示意性電路圖。依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換器件43包括與像素?cái)?shù)量相對(duì)應(yīng)數(shù)量的圖5的光電轉(zhuǎn)換模塊An(框內(nèi)的模塊)。每個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊An的溝道選擇開關(guān)107與公共信號(hào)線111相連。注意到，該光電轉(zhuǎn)換模塊An與第n位的光電轉(zhuǎn)換模塊相對(duì)應(yīng)。圖6是顯示光電轉(zhuǎn)換器件43的整體結(jié)構(gòu)圖。
該電路包括作為光接收元件的光電二極管101；NMOS門118；作為電荷轉(zhuǎn)移裝置的轉(zhuǎn)移開關(guān)114，115，116和117；作為復(fù)位裝置的復(fù)位開關(guān)102；放大裝置103；用于保持光學(xué)信號(hào)的電容器113；用于保持作為光電轉(zhuǎn)換裝置參考的參考信號(hào)的電容器112；構(gòu)成作為信號(hào)讀取裝置的MOS源極跟隨器的MOS晶體管106；作為溝道選擇裝置的溝道選擇開關(guān)107；公共信號(hào)線111；以及電流源108。
注意到，光電二極管101代表圖1的包括N型擴(kuò)散層65的N型半導(dǎo)體區(qū)域54，NMOS門118代表柵電極56與襯底區(qū)域60之間的結(jié)構(gòu)。另外，復(fù)位開關(guān)102代表圖1的復(fù)位電路58，源極跟隨器電路57構(gòu)成放大裝置103的一部分。
控制信號(hào)φPG被施加到NMOS門118的柵極。復(fù)位開關(guān)102的一個(gè)端與Vreset端相連。如圖6所示，所有光電轉(zhuǎn)換模塊(A1到An)共享Vreset端。
放大裝置103可以由MOS源極跟隨器、電壓跟隨器放大器等組成，并提供有用于選擇某一操作狀態(tài)的放大使能端110。
光電轉(zhuǎn)換器件的輸出端VOUT的輸出信號(hào)輸入到信號(hào)處理電路42的輸入端VIN。光電轉(zhuǎn)換器件和信號(hào)處理電路可以裝配在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上。
之后，依照本發(fā)明實(shí)施方案，將給出用于信號(hào)處理電路42和光電轉(zhuǎn)換器件43的四種操作方法的描述。
圖13是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的信號(hào)處理電路42和光電轉(zhuǎn)換器件43的第一種操作方法的示意時(shí)序圖。參照該時(shí)序圖，下面將描述光電轉(zhuǎn)換器件43的操作。關(guān)于依照本發(fā)明的圖像傳感器IC 41的操作，所有光電轉(zhuǎn)換模塊(A1到An)的初始化操作和光生載流子Qp的光電荷積累操作在給定的時(shí)序下彼此同步執(zhí)行。在第一時(shí)序TS1處光電荷積累操作過(guò)程中，第n位的光生載流子Qp設(shè)為Qp1n。而在第二時(shí)序TS2處，所有光電轉(zhuǎn)換模塊(A1到An)積累新的光生載流子Qp2n，在第一時(shí)序TS1處積累的第一到最后一位的光生載流子Qp1n，通過(guò)信號(hào)處理電路42基于位順序地從圖像傳感器IC41輸出(背景輸出)。更具體的說(shuō)，φR，φPG，φRIN，φSIN和φSEL的操作相對(duì)于所有光電轉(zhuǎn)換模塊(A1到An)彼此同步(此后，該光電轉(zhuǎn)換模塊可以稱為“位”)。另一方面，φSO，φRO和φSCH的操作時(shí)序根據(jù)位而不同，用(n)標(biāo)記。
首先，將描述第n位的光電轉(zhuǎn)換模塊的操作。當(dāng)復(fù)位開關(guān)102被打開，同時(shí)φPG設(shè)為低電位時(shí)，施加到光電二極管101的輸出端Vdi的電壓被固定為參考電壓Vreset。相反，當(dāng)復(fù)位開關(guān)102關(guān)閉時(shí)，施加到輸出端Vdi的電壓達(dá)到與加上關(guān)噪聲的電壓Vreset相等的電壓值。復(fù)位開關(guān)102一旦關(guān)閉，則轉(zhuǎn)移開關(guān)114就響應(yīng)于φRIN的R1處的脈沖而打開。參考信號(hào)在光電二極管101的初始化操作之后被讀出并積累在電容器112中。
在第一時(shí)序TS1處的隨后的光電荷積累操作中，φPG的電位設(shè)定為高，NMOS門118的溝道和光電二極管101俘獲的光電荷被積累。光電荷積累在NMOS門118的溝道和光電二極管101中。Vdi的電位根據(jù)光電荷的數(shù)量變化。積累周期從φR的R1處的脈沖完成延伸到φSIN的S1處的脈沖開始(下一個(gè)脈沖周期)，因而對(duì)應(yīng)于圖13的第一時(shí)序TS1的周期。該積累周期對(duì)于所有的位都相同。在該周期過(guò)程中，當(dāng)光電二極管接收來(lái)自外部的輻射噪聲時(shí)，光電二極管的電位發(fā)生變化。然而，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)阻擋了該輻射噪聲，由此由于輻射噪聲引起的光電二極管的電位保持很小。
當(dāng)積累完成時(shí)，φPG的電位設(shè)定為低，NMOS門118的溝道消失，光電荷移向構(gòu)成光電二極管101陰極的N型半導(dǎo)體區(qū)域54。轉(zhuǎn)移開關(guān)115響應(yīng)于φSIN的S1處的脈沖被打開，在光電二極管101和NMOS門118俘獲的光電荷被積累之后獲得的光生載流子Qp被讀出并積累在電容器113中。在該點(diǎn)上，φPG的電位設(shè)定為低。隨后，在第二時(shí)序TS2處的光電荷積累操作之前，重復(fù)初始化操作，然后φPG的電位設(shè)定為高，接著重復(fù)接下面的積累操作。
接著，將解釋讀取參考信號(hào)和光學(xué)信號(hào)的操作。在圖13的積累周期TS2過(guò)程中，溝道選擇開關(guān)107響應(yīng)于φSCH(n)的脈沖而被打開，同時(shí)轉(zhuǎn)移開關(guān)117響應(yīng)于φSH(n)的脈沖被打開，由此電容器113中保持的光學(xué)信號(hào)被讀出到公共信號(hào)線111。該周期對(duì)應(yīng)于φSCH(n)的“S1”。光學(xué)信號(hào)是在該周期TS1過(guò)程中所存儲(chǔ)的信號(hào)；復(fù)位電壓(響應(yīng)于φR的R1處的脈沖而復(fù)位)用作參考。
接著，當(dāng)轉(zhuǎn)移開關(guān)116響應(yīng)于φRO(n)的脈沖被打開時(shí)，電容器112中保持的參考信號(hào)被讀出到公共信號(hào)線111。參考信號(hào)是響應(yīng)于φR的R2處的脈沖而復(fù)位的信號(hào)。通過(guò)計(jì)算在隨后的信號(hào)處理電路42中的光學(xué)信號(hào)和參考信號(hào)之間的差值，可以獲得由光強(qiáng)度差導(dǎo)致的電壓差。
隨后，φSCH(n)關(guān)閉，然后后續(xù)位的溝道選擇開關(guān)7響應(yīng)于φSCH(n+1)的脈沖而打開，且后續(xù)位的轉(zhuǎn)移開關(guān)107響應(yīng)于φSO(n+1)的脈沖而打開，從而開始讀取后續(xù)位的光學(xué)信號(hào)。第(n+1)位的其他脈沖都以相應(yīng)于從第n位脈沖的φSCH的開態(tài)周期的延遲而產(chǎn)生。
如上所討論的，第n位的光學(xué)信號(hào)，第n位的參考信號(hào)，第(n+1)位的光學(xué)信號(hào)和第(n+1)位的參考信號(hào)按上述順序從終端VOUT輸出。在接下來(lái)的描述中，為了易于解釋，光學(xué)信號(hào)的輸出周期和參考信號(hào)的輸出周期稱作“在先周期”和“在后周期”。
接下來(lái)將要解釋信號(hào)處理電路42的操作。終端VOUT的輸出信號(hào)輸入到終端VIN，在光學(xué)信號(hào)輸出開始之后將采樣/保持脈沖φSH1打開，并在光學(xué)信號(hào)輸出停止之前關(guān)閉。光學(xué)信號(hào)由此經(jīng)過(guò)采樣/保持處理。來(lái)自終端VIN的信號(hào)和已經(jīng)經(jīng)過(guò)采樣/保持處理的信號(hào)輸入到減法器。在在先周期中，相似的光學(xué)信號(hào)輸入到減法器，而在在后周期中，參考信號(hào)和已經(jīng)經(jīng)過(guò)采樣/保持處理的光學(xué)信號(hào)輸入到減法器。因此減法器的輸出電壓在在先周期中對(duì)應(yīng)于VREF電平，而在在后周期中對(duì)應(yīng)于附加有一個(gè)電平(電壓)的VREF電平(電壓)，該附加的一個(gè)電平是通過(guò)光學(xué)信號(hào)與參考信號(hào)之間的差值乘以增益值而計(jì)算出的。另外，在先周期中的輸出電壓包括緩沖放大器22、23中的偏移電壓和減法器24中的偏移電壓。同樣，在后周期中的輸出電壓包括緩沖放大器22、23中的偏移電壓，減法器24中的偏移電壓，以及采樣/保持電路21中的偏移電壓。
施加鉗位脈沖φCLAMP，以使在φSH1打開之前打開，在φSH1關(guān)閉之前關(guān)閉。因此鉗位電路25的輸出電壓在在先周期中被鉗位到VREF電平，而在在后周期中被鉗位到附加有一個(gè)電平(電壓)的VREF電平(電壓)，該附加的一個(gè)電平通過(guò)從在后周期中的減法器輸出電壓中減去在先周期中的減法器輸出電壓而獲得。結(jié)果，在后周期中的鉗位電路的輸出電壓既不包括緩沖放大器22、23的偏移電壓，也不包括減法器24的偏移電壓。此外，因?yàn)槠潆娐方Y(jié)構(gòu)中消除了脈沖φSH和φSHX(反相的φSH)的噪聲，所以采樣/保持電路21包括很小的偏移電壓?；谏鲜鏊觯诤笾芷谥械你Q位電路的輸出電壓達(dá)到附加有一個(gè)電平的VREF電平(參考)，該附加的一個(gè)電平通過(guò)光學(xué)信號(hào)與參考信號(hào)之間的差值乘以增益值而獲得。
采樣/保持脈沖φSH2在參考信號(hào)的輸出開始之前和之后被打開，并在參考信號(hào)的輸出停止之前被關(guān)閉。采取該操作，在后周期中的輸出信號(hào)在鉗位操作之后被采樣，以在后續(xù)位的在先周期中保持該輸出信號(hào)。因而，輸出電平可以保持很長(zhǎng)時(shí)間。
圖14是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換裝置43和信號(hào)處理電路42的第二種操作方法的示意時(shí)序圖。參照該時(shí)序圖，描述將集中在與第一種操作方法不同的點(diǎn)上。
除第一種操作方法之外，第二種操作方法還包括下列操作。就是說(shuō)，φRIN在φPG打開/關(guān)閉之后打開，φRIN關(guān)閉，接著打開/關(guān)閉φR。
因而，當(dāng)信號(hào)電壓響應(yīng)于脈沖φSIN被讀出時(shí)和當(dāng)參考電壓響應(yīng)于脈沖φRIN被讀出時(shí)，獲得了相同的噪聲狀態(tài)。
換句話說(shuō)，第一種操作方法在暗狀態(tài)時(shí)，根據(jù)將脈沖φPG打開/關(guān)閉的操作，可能產(chǎn)生參考電壓和信號(hào)電壓之間的差異。然而，第二種方法消除了在暗狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生參考電壓和信號(hào)電壓之間差異的可能，因?yàn)閷?duì)于參考電壓和信號(hào)電壓來(lái)說(shuō)，將脈沖φPG打開/關(guān)閉的操作僅在復(fù)位操作之后起作用一次。
圖15是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換裝置43和信號(hào)處理電路42的第三種操作方法的示意時(shí)序圖。參照該時(shí)序圖，描述集中在與第一種操作方法不同的點(diǎn)上。
除第一種操作方法之外，第三種操作方法還包括下列操作。就是說(shuō)，在將φR關(guān)閉的時(shí)刻，將φPG打開。這就可能在復(fù)位操作的時(shí)刻形成溝道71，提高了光電二極管部分的電容Cpd，并伴隨有下述結(jié)果，即基于方程式(2)，可以將復(fù)位噪聲(在復(fù)位時(shí)刻的噪聲)最小化。
圖16是用于依照本發(fā)明實(shí)施方案的光電轉(zhuǎn)換裝置43和信號(hào)處理電路42的第四種操作方法的示意時(shí)序圖。參照該時(shí)序圖，描述集中在與第三種操作方法不同的點(diǎn)上。
除第三種操作方法之外，第四種操作方法還包括下列操作。就是說(shuō)，φRIN關(guān)閉，φPG打開，然后φR打開/關(guān)閉。因而，當(dāng)信號(hào)電壓響應(yīng)于脈沖φSIN被讀出時(shí)和當(dāng)參考電壓響應(yīng)于脈沖φRIN被讀出時(shí)，獲得了相同的噪聲狀態(tài)。
換句話說(shuō)，第三種操作方法在暗狀態(tài)時(shí)，根據(jù)將脈沖φPG打開/關(guān)閉的操作，可能產(chǎn)生參考電壓和信號(hào)電壓之間的差異。然而，第四種方法消除了在暗狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生參考電壓和信號(hào)電壓之間差異的可能，因?yàn)閷?duì)于參考電壓和信號(hào)電壓來(lái)說(shuō)，將脈沖脈沖φPG關(guān)閉的操作僅在復(fù)位操作之后起作用一次。
根據(jù)上述實(shí)施方案，在先周期，即積累周期TS1中積累的光學(xué)信號(hào)可以在周期TS2中的光電二極管的積累操作過(guò)程中被讀取。因此，為了讀取彩色圖像數(shù)據(jù)，將三色RGB的LED接通。例如，在周期TS1過(guò)程中將紅色(R)LED接通，由此讀取紅色分量的圖像數(shù)據(jù)。在周期TS2過(guò)程中將綠色(G)LED接通，由此讀取綠色分量的圖像數(shù)據(jù)。在繼周期TS2之后的周期的過(guò)程中將藍(lán)色(B)LED接通，由此讀取藍(lán)色分量的圖像數(shù)據(jù)。
在該情形中，在周期TS2過(guò)程中讀出紅色光學(xué)信號(hào)。在上述關(guān)于依照本發(fā)明的圖像傳感器的描述中，不總是必須將信號(hào)處理電路42集成到IC中。
前述的說(shuō)明集中在線性圖像傳感器IC，但圖1和3的結(jié)構(gòu)還適用于區(qū)域圖像傳感器IC。
到此為止已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)理解為限于上述的各個(gè)實(shí)施方案。在不脫離本發(fā)明中心思想的條件下，可以以各種修改實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
本發(fā)明適于用于圖像讀取裝置，例如傳真機(jī)或圖像掃描儀的線性圖像傳感器IC，和具有裝配在其上的多個(gè)圖像傳感器的緊密接觸型圖像傳感器。本發(fā)明還適用于區(qū)域圖像傳感器IC。
權(quán)利要求
1.一種光電轉(zhuǎn)換器件，包含光接收元件，所述光接收元件包括用于形成光接收部分的第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)域；形成在所述第一導(dǎo)電區(qū)域表面上的第二導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體區(qū)域；和在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域表面上方靠近所述第二半導(dǎo)體區(qū)域經(jīng)過(guò)絕緣體形成的柵電極，其中所述光接收元件通過(guò)切換施加到柵電極上的電壓，而允許控制柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面狀態(tài)在反轉(zhuǎn)狀態(tài)和積累狀態(tài)構(gòu)成的兩種狀態(tài)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中所述光接收元件進(jìn)一步包括第二導(dǎo)電類型的第三半導(dǎo)體區(qū)域，該第三半導(dǎo)體區(qū)域具有比第二半導(dǎo)體區(qū)域中的雜質(zhì)濃度更低的雜質(zhì)濃度，且形成在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域和所述第二半導(dǎo)體區(qū)域之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中在柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的反轉(zhuǎn)狀態(tài)中形成的溝道與所述第二半導(dǎo)體區(qū)域電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件，進(jìn)一步包括用于將所述第二半導(dǎo)體區(qū)域初始化的復(fù)位裝置；和用于基于所述第二半導(dǎo)體區(qū)域的信號(hào)產(chǎn)生放大信號(hào)的放大裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中所述柵電極由多晶硅形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中所述柵電極由透明導(dǎo)電膜形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中當(dāng)所述光接收元件積累光電荷時(shí)，柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)；和當(dāng)所述光接收元件讀取光學(xué)信號(hào)時(shí)，柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于積累狀態(tài)。
8.一種光電轉(zhuǎn)換器件，包含光接收元件，所述光接收元件包括用于形成光接收部分的第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)域；形成在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域表面上的第二導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體區(qū)域；和在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域表面上方靠近所述第二半導(dǎo)體區(qū)域經(jīng)過(guò)絕緣體形成的柵電極；第二導(dǎo)電類型的第三半導(dǎo)體區(qū)域，該第三半導(dǎo)體區(qū)域具有比第二半導(dǎo)體區(qū)域的雜質(zhì)濃度更低的雜質(zhì)濃度，且形成在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域和所述第二半導(dǎo)體區(qū)域之間，其中所述光接收元件通過(guò)切換施加到柵電極的電壓，而允許控制柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面狀態(tài)在反轉(zhuǎn)狀態(tài)和積累狀態(tài)構(gòu)成的兩種狀態(tài)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中在柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的反轉(zhuǎn)狀態(tài)中形成的溝道與所述第二半導(dǎo)體區(qū)域電連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換器件，進(jìn)一步包括用于將所述第二半導(dǎo)體區(qū)域初始化的復(fù)位裝置；和用于基于所述第二半導(dǎo)體區(qū)域的信號(hào)產(chǎn)生放大信號(hào)的放大裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中所述柵電極由多晶硅形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中所述柵電極由透明導(dǎo)電膜形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換器件，其中當(dāng)所述光接收元件積累光電荷時(shí)，柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)；和當(dāng)所述光接收元件讀取光學(xué)信號(hào)時(shí)，柵電極下方的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面處于積累狀態(tài)。
14.一種圖像傳感器IC，其具有根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換器件。
15.一種圖像傳感器IC，其具有根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換器件。
全文摘要
提供了一種具有低成本高S/N比的光電轉(zhuǎn)換器件。該光電轉(zhuǎn)換器件包括光接收元件，所述光接收元件包括第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)域；形成在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域中的第二導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體區(qū)域；和靠近所述第二半導(dǎo)體區(qū)域經(jīng)過(guò)絕緣體形成的柵電極。在所述光電轉(zhuǎn)換器件中，柵電極下方的第一半導(dǎo)體區(qū)域的表面狀態(tài)能在反轉(zhuǎn)狀態(tài)和積累狀態(tài)構(gòu)成的兩種狀態(tài)之間控制。
文檔編號(hào)H04N5/369GK1619827SQ20041009239
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
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