[发明专利]像素单元读出装置及方法、像素阵列读出装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体技术领域，特别是涉及一种像素单元读出装置及方法和像素单元读出装置及方法。

背景技术

图像传感器能够捕捉图像信号，并将其转换为电信号，在终端设备上进行显示。目前图像传感器芯片已经在消费类电子、军工、医疗成像和航空航天等领域得到了广泛的应用。传统的图像传感器分为电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）两大类型。其中CMOS图像传感器能与现有的超大规模集成电路工艺相兼容，且功耗低，集成度高，易于功能扩展，因此成为一种比较主流的技术。

公开号为CN101707202A的中国专利披露了一种半浮栅晶体管（Semi-Floating-Gate Transistor，SFGT），它是一种新型的半导体器件，能够用作感光元件，基本结构如图1所示。

所述半浮栅晶体管包括：形成在两浅沟槽隔离STI501之间的半导体衬底500中的漏区514、源区511、位于漏区514和源区511中间的沟道512、源区514一侧的浅沟槽隔离STI501与沟道512之间的的阱区503，以及位于阱区503中的反掺杂区502。所述阱区503的掺杂类型与漏区514相同，所述反掺杂区502的掺杂类型与阱区503相反。

所述沟道512和所述阱区503、反掺杂区502靠近所述沟道512一侧的上方形成有第一层绝缘膜506，所述第一层绝缘膜506上形成有半浮栅区505。其中半浮栅区505的掺杂类型与漏区514相反，且通过第一层绝缘膜506中的窗口504与所述反掺杂区502相接触。

所述半浮栅区505上还覆盖有第二层绝缘膜509，所述第二层绝缘膜509上形成有控制栅极507。

其中，所述阱区503和反掺杂区502构成感光二极管，能够在反偏时接受光照，产生光生电流，对半浮栅区505进行充电，改变半浮栅区505的电势，导致晶体管的阈值电压变化。

半浮栅晶体管用作感光元件时，首先对反掺杂区502和半半浮栅区505组成的光电二极管施加正偏电压，进行复位操作，清空半半浮栅区505上的电荷；随后对光电二极管施加反偏电压，使其进入曝光状态，光生电荷被收集到半半浮栅区505，其电压升高，因此整个半浮栅晶体管器件的阈值电压Vth下降，光照强度越大，半浮栅区电压上升越多，阈值电压Vth下降的程度也越大；在读出阶段，对控制栅电极507和漏端电极513分别施加一定的正电压，则会有电流经漏极514流向源极511。通过读取源电极510的电流值的大小，反映出光照的强弱，从而达到感光的功能。

如图2所示为图1所示的半浮栅晶体管作为感光器件的等效电路。如图2中所示，半浮栅晶体管作为感光器件由一个包含了半浮栅区403的MOSFET402和一个感光二极管404所组成。

如图3所示为传统的基于CMOS器件的像素单元的结构示意图。与传统的基于CMOS器件的像素单元（3个晶体管加一个感光二极管）相比，基于半浮栅晶体管元件的像素单元仅需要一个晶体管就可以完成复位、曝光和读出的操作，因此大大提高了像素的填充因子（感光区域面积与像素总面积之比），增加了图像传感器的灵敏度和分辨率。