[发明专利]CMOS图像传感器及其成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其成像方法。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

图1为现有CMOS图像传感器的一种3管像素单元的结构示意图。参照图1所示，所述3管像素单元100包括光敏二极管PD、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第三NMOS管M3。

其中，光敏二极管PD正极接地，负极与第一NMOS管M1的源极相连；第一NMOS管M1的栅极接收复位信号(RST)、漏极与第二NMOS管M2的漏极相连于电源电压VDD；第二NMOS管M2的栅极与光敏二极管PD的负极相连、源极与第三NMOS管M3的漏极相连；第三NMOS管M3的栅极接收行选择信号(Row_Select)、源极与像素单元阵列的列总线相连。

第一NMOS管M1的作用是提供复位功能，主要使光敏二极管PD的电压复位。第二NMOS管M2则是作为源极跟随放大器，将光敏二极管PD负极处x点的电压Vx放大，以使得Vx较易被读出。第三NMOS管M3当接收到行选择信号时，与像素单元阵列的列总线导通。

由于上述结构的像素单元都只能输出黑白的图像信号，而不能输出彩色的图像信号。为了使得所述像素单元能够输出彩色的图像信号，通常是在像素单元阵列上添加一层彩色滤镜涂层(color filter coating)，形成彩色滤镜阵列(CFA，Color Filter Array)。所述彩色滤镜阵列中的每个单元覆盖于每个彩色图像传感器(CIS，Color Image Sensor)单元的感光部位上，仅让三原色(蓝、绿、红)中的一种通过，而滤除其他原色。由此，每个彩色图像传感器单元仅对一种原色敏感。通过对相邻像素色彩进行插值处理，使得所有的色彩元素都能在各个像素中对应获得，从而，所有像素的组合就能够构成一张完整的彩色图像。在例如申请号为02120295.8的中国专利申请中还能发现更多与上述内容相关的信息。

在目前的一些工艺中，通过后期工艺在像素单元阵列上覆盖所述彩色滤镜涂层而最终形成彩色图像传感器阵列。该种工艺具有以下缺陷：1)后期加覆彩色滤镜涂层的工艺会增加较大的工艺成本2)由于需要每个彩色图像传感器单元仅对一种原色敏感，而滤除其他原色，因而工艺上实现该目标会具有较多的不可预期的滤除效果和准确性的不稳定。

而为克服上述具有彩色滤镜阵列的彩色图像传感器阵列在工艺上的缺陷，目前还有另一种实现方法是采用另一种结构的彩色图像传感器阵列。所述彩色图像传感器阵列中各单元由堆栈结构的光敏二极管构成。所述单元由三个在硅衬底中不同深度形成的光敏二极管构成，所述光敏二极管由相应深度中的N阱和N阱中的P型外延层构成。各个光敏二极管的输出端通过通孔连接。

在应用上述堆栈结构的光敏二极管的传感器技术中，例如Foveon传感器利用下述原理来进行颜色的区分：不同颜色的光具有不同的波长，而在例如硅衬底中的吸收深度(penetration depths)也不同。例如，蓝光(波长400-490nm)在硅衬底中的吸收深度为0.2-0.5μm；绿光(波长490-575nm)在硅衬底中的吸收深度为0.5-1.5μm；而红光(波长575-700nm)在硅衬底中的吸收深度为1.5-3.0μm。因此，在硅衬底中不同深度而相应制作的三个光敏二极管，分别对于蓝、绿、红三色的吸收率也不同。这三个光敏二极管分别优先对蓝、绿、红三色敏感而产生光电流。然而，Foveon传感器的缺陷在于：其工艺的复杂度较高，并且增加了工艺成本。另外，由于这三个光敏二极管是在硅衬底的不同深度形成的，就不得不通过通孔将这三个光敏二极管的输出端相连，并与相应光电流读出电路连接。

发明内容

本发明要解决的问题是，现有彩色图像传感器工艺复杂度及工艺成本较高的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种CMOS图像传感器，包括像素单元，所述像素单元包括用于产生光电流的光敏二极管，其中，

所述光敏二极管中PN结的结深对应于三原色光中任意一种在所述PN结中的吸收深度；

在所述光敏二极管的正极处还连接有可变电压源，所述可变电压源提供用于调节所述光敏二极管中PN结的耗尽区宽度的反偏电压。