像素单元、图像传感器及电子设备的制作方法

本实用新型涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种高增益比率的像素单元、图像传感器及电子设备。

背景技术：

图像传感器是将光信号转换成电信号的半导体装置。现有的图像传感器包括电荷耦合器件(ccd)与互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。与传统的ccd传感器相比，cmos图像传感器具有低功耗、低成本等特点，因此得到越来越广泛的应用。

通常的cmos图像传感器采用传输晶体管将光敏元件例如光电二极管产生的电子传输到浮动扩散节点并通过源极跟随放大器晶体管输出。根据实际应用，部分传感器会设计双转换增益模式，以在不同的应用环境中采用不同增益，比如，在低光场景下，图像传感器的像素电路工作在高转换增益模式下，灵敏度较高；在高光场景下，图像传感器的像素电路工作在低转换增益模式下，灵敏度相对低，但能够读出更多的信号。

但是，限于工艺水平，小尺寸的图像传感器无法继续降低低增益部分，以应用在高光环境下。浮动扩散节点的寄生电容电容值影响动态范围的上限，光电二极管热产生的电荷以及其他噪声因素影响像素动态范围的下限，动态范围为像素电路的最大可检测照明强度与最小可检测照明强度的比率。如果将要成像的场景的动态范围超过了像素电路的动态范围，将导致图像传感器的像素电路饱和，在大动态范围的场景，例如室外场景下可能影响光信号的正确捕捉。

因此为了提升图像传感器在高光场景下的工作性能，需要降低像素电路的低增益值。图1示出了现有技术中一种图像传感器的像素单元的布局结构示意图，其中复位晶体管rst和转换增益控制晶体管dcg在左右相邻的两列光电二极管pd之间为同一方向布局，源极跟随晶体管sf和行选择晶体管rs在上下相邻的两行光电二极管pd之间为同一方向布局。此种布局结构浮动扩散节点的寄生电容值较小，无法降低图像传感器的低增益值。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种像素单元、图像传感器及电子设备，解决现有的图像传感器中低增益值偏高，导致动态范围小的问题，提升图像传感器的增益比率和在高光场景下的工作性能。

本实用新型提供一种像素单元，该像素单元包括：

光电二极管及连接到所述光电二极管的传输晶体管，所述传输晶体管以一角度倾斜设置于所述光电二极管的角部；

浮动扩散点，所述浮动扩散点靠近所述传输晶体管设置并连接至所述传输晶体管；

复位晶体管和转换增益控制晶体管，所述转换增益控制晶体管连接在所述浮动扩散点和所述复位晶体管之间；

增益控制电容，所述增益控制电容的第一极包括连接部和拓展部，所述连接部为所述复位晶体管与所述转换增益控制晶体管两者的连接点，所述拓展部由所述连接点凸伸至按列方向相邻的两个光电二极管之间。

可选的，所述光电二极管在位于所述连接部的右上方、右下方及左上方处设有缺口，以使得所述增益控制电容的连接部形成为多边形。

可选的，所述连接部向上方凸伸以连接至所述复位晶体管，所述连接部向右方凸伸以连接至所述增益控制电容的拓展部。

可选的，所述转换增益控制晶体管的栅极呈不规则形状布置，其源极与浮动扩散点连接，其漏极与所述增益控制电容和所述复位晶体管连接。

可选的，所述浮动扩散点沿第一倾斜方向倾斜设置在所述光电二极管和所述第一极之间，所述转换增益控制晶体管沿第二倾斜方向倾斜设置在所述浮动扩散点和所述第一极之间，所述第一倾斜方向和所述第二倾斜方向交叉。

可选的，所述第一极沿行方向的长度大于所述像素单元沿行方向的长度的50％。

可选的，所述拓展部沿所述列方向的宽度大于按所述列方向相邻的两个光电二极管之间间距的40％。

可选的，所述拓展部与位于其列方向上两侧的光电二极管之间均设置隔离结构，所述隔离结构采用离子注入方式隔离或sti隔离。

可选的，所述复位晶体管位于上一行像素单元中按行方向相邻的两个光电二极管之间。

可选的，所述像素单元应用于图像传感器中，所述图像传感器包括源极跟随晶体管和行选择晶体管；所述源极跟随晶体管连接在所述浮动扩散点和所述行选择晶体管之间，所述源极跟随晶体管和所述行选择晶体管位于本行像素单元中按行方向相邻的两个光电二极管之间。

可选的，所述复位晶体管、所述转换增益控制晶体管、所述源极跟随晶体管和所述行选择晶体管依序设置在左右相邻的两列光电二极管之间。

可选的，所述转换增益控制晶体管以一角度倾斜设置，所述复位晶体管、所述源极跟随晶体管和所述行选择晶体管同一方向布局。

可选的，自所述连接部的最左端至与其相连的拓展部的最右端的距离为所述第一极的长度，所述第一极的长度为3～3.65μm。

可选的，所述拓展部沿列方向的宽度为0.4～0.5μm。

可选的，所述拓展部与位于其列方向上两侧的光电二极管分别相距0.1～0.25μm。

可选的，所述增益控制电容的第二极由多晶硅形成，所述第二极设置在按所述列方向相邻的两个光电二极管之间。

可选的，所述增益控制电容的第二极与所述转换增益控制晶体管的栅极通过增益控制信号线连接。

可选的，所述增益控制信号线和所述第二极之间设置多个第二触点，所述多个第二触点在行方向上间隔排列。

本实用新型还提供一种图像传感器，所述图像传感器包括若干个按行方向和列方向排列布局的上述任一种像素单元。

本实用新型还提供一种电子设备，该电子设备包括上述图像传感器。

本实用新型提供一种像素单元、图像传感器及电子设备，其中像素单元采用连接部和凸伸至按列方向相邻的两个光电二极管之间的拓展部结合以构成增益控制电容，并通过其他元件的布局设计增大增益控制电容，进而可以达到更低的低增益值以增大图像传感器的增益比率，并提升图像传感器在高光场景下的工作性能。

附图说明

图1为现有技术中一种图像传感器的像素单元的布局结构示意图。

图2为本实用新型第一实施例的图像传感器中像素单元的电路示意图。

图3为本实用新型第一实施例的图像传感器中像素单元的布局结构示意图。

图4为图3所示像素单元的布局结构的局部放大图。

图5为本实用新型第一实施例的图像传感器中像素单元电路的时序示意图。

图6为本实用新型第二实施例的图像传感器中像素单元的布局结构示意图。

图7为本实用新型第二实施例的图像传感器中像素单元设置金属布线的布局结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型中所使用的术语“连接”定义如下，“连接”用于描述两个电路元件之间的直接连接或者间接连接。例如，两个连接元件可以通过金属线直接连接，或者通过中间的电路元件(例如，电容、电阻或者晶体管的源极或者漏极)间接连接。

本实用新型中所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“行方向”、“列方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本实用新型的限制。

第一实施例

本实用新型第一实施例提供一种像素单元及图像传感器，该图像传感器包括若干个按行方向x和列方向y排列布局的像素单元构成的像素阵列。请参图2至图4，图2示出了本实施例中像素单元的电路示意图，图3示出了像素单元的布局结构示意图，图4示出了图3中a区域的局部放大图。每个像素单元包括：光电二极管pd、连接到光电二极管pd的传输晶体管tx、浮动扩散点fd、复位晶体管rst、转换增益控制晶体管dcg、增益控制电容c、源极跟随晶体管sf以及行选择晶体管rs。传输晶体管tx、复位晶体管rst、转换增益控制晶体管dcg、源极跟随晶体管sf以及行选择晶体管rs均为有源元件，以下提供该些有源元件均由载流子极性为n型的mos晶体管构成的实例，但不以此为限。

光电二极管pd的阳极接地，光电二极管pd将入射光转换成与光入射量对应的量的电荷。

传输晶体管tx以一角度倾斜设置于光电二极管pd的角部，传输晶体管tx连接在浮动扩散点fd和光电二极管pd之间，传输晶体管tx的源极连接至光电二极管pd的阴极。浮动扩散点fd靠近传输晶体管tx设置并连接至传输晶体管tx的漏极。传输晶体管tx的栅极连接传输信号线并响应于传输信号vtx，在光电二极管pd的积分过程结束后将光电二极管pd累积的电荷转移至浮动扩散点fd。

转换增益控制晶体管dcg连接在复位晶体管rst和浮动扩散点fd之间，转换增益控制晶体管dcg的漏极连接至浮动扩散点fd，转换增益控制晶体管dcg的源极连接至复位晶体管rst，转换增益控制晶体管dcg的栅极连接并响应于增益控制信号vdcg。增益控制电容c连接至转换增益控制晶体管dcg和复位晶体管rst两者的连接点，即第一节点q1。转换增益控制晶体管dcg和增益控制电容c用于实现像素电路在高低增益之间转换，提高图像传感器的动态范围。

复位晶体管rst连接在第一电压源vdd和转换增益控制晶体管dcg之间，复位晶体管rst的漏极连接至转换增益控制晶体管dcg的源极，复位晶体管rst的源极与第一电压源vdd连接，复位晶体管rst的栅极连接并响应于复位信号vrst以复位像素单元内的电路。

源极跟随晶体管sf连接在第一电压源vdd和行选择晶体管rs之间，源极跟随晶体管sf的漏极连接至行选择晶体管rs，源极跟随晶体管sf的源极与第一电压源vdd连接，源极跟随晶体管sf的栅极连接至浮动扩散点fd并响应于浮动扩散点fd上的电荷，源极跟随晶体管sf用于对浮动扩散点fd的电位进行信号放大，并输出已放大信号至行选择晶体管rs。

行选择晶体管rs连接在源极跟随晶体管sf和垂直信号线lout之间，行选择晶体管rs的源极连接至源极跟随晶体管sf的漏极，行选择晶体管rs的漏极与垂直信号线line_out连接，行选择晶体管rs的栅极连接行选择线并响应于行选择信号vrs，在行选择线为高电平信号时，行选择晶体管rs的栅极由于通过行选择线输入高电平信号而导通，将经跟随晶体管sf放大后的像素信号pixout输出至垂直信号线line_out。

请参图5，以上述有源元件均为n型的mos晶体管为例，示出了本实施例中像素单元电路的时序示意图。需要说明的是，其中一个或多个有源元件采用p型的mos晶体管，并相应变更信号电平，仍处于本实用新型的保护范围内。

在操作过程中，首先进行复位阶段t1，复位晶体管rst的栅极电压和转换增益控制晶体管dcg的栅极电压均置为高电平，此时复位晶体管rst和转换增益控制晶体管dcg均导通，通过第一电压源vdd对光电二极管pd及浮动扩散点fd进行复位。

进行曝光，光电二极管pd响应入射光并产生电荷。

进入低转换增益参考电压输出阶段t2，复位晶体管rst的栅极电压置为低电平，复位晶体管rst关断，转换增益控制晶体管dcg的栅极电压置为高电平，转换增益控制晶体管dcg导通，浮动扩散点fd和第一电压源vdd之间的电容值因增益控制电容c而增大，行选择晶体管rs的栅极电压置为高电平，行选择晶体管rs导通，像素电路输出低转换增益时参考电压vl0。

进入高转换增益参考电压输出阶段t3，复位晶体管rst的栅极电压置为低电平，复位晶体管rst关断，转换增益控制晶体管dcg的栅极电压置为低电平，转换增益控制晶体管dcg关断，行选择晶体管rs的栅极电压置为高电平，行选择晶体管rs导通，像素电路输出高转换增益时参考电压vh0。

光电二极管pd积分过程结束，进入高转换增益时信号电压vh1输出阶段t4，转换增益控制晶体管dcg的栅极电压置为低电平，转换增益控制晶体管dcg关断，传输晶体管tx的栅极电压置为高电平，传输晶体管tx导通，行选择晶体管rs的栅极电压置为高电平，行选择晶体管rs导通，传输晶体管tx将光电二极管pd产生的电荷转移到浮动扩散点fd，经行选择晶体管rs输出高转换增益时信号电压vh1。

转换增益控制晶体管dcg的栅极电压置为高电平，转换增益控制晶体管dcg导通，行选择晶体管rs的栅极电压置为低电平，行选择晶体管rs关断；之后进入低转换增益时信号电压vl1输出阶段t5，行选择晶体管rs的栅极电压置为高电平，行选择晶体管rs导通，由于浮动扩散点fd和第一电压源vdd之间的电容值因增益控制电容c增大，源极跟随晶体管sf的栅极电压减小，因而源极跟随晶体管sf的输出电压相应减小，获得更低的低增益，行选择晶体管rs打开并输出低转换增益时信号电压vl1。

因此，增益控制电容c的电容值影响低转换增益时参考电压vl0和低转换增益时信号电压vl1，进而影响低增益值。高增益值和低增益值的比值决定增益比率，增益比率越高，图像传感器有更大的动态范围。现有图像传感器的布局结构中，浮动扩散点fd处的电容值受限于转换增益控制晶体管dcg和复位晶体管rst的连接点面积，并受到转换增益控制晶体管dcg、复位晶体管rst、源极跟随晶体管sf、行选择晶体管rs等元件的布局结构影响。

本实施例中，请参图3和图4，增益控制电容c的第一极10包括连接部11和拓展部12，连接部11为复位晶体管rst与转换增益控制晶体管dcg两者的连接点，拓展部12由该连接点凸伸至按列方向y相邻的两个光电二极管pd之间。增益控制电容c可为器件电容或寄生电容，器件电容的第二极可根据应用接地或连接固定电压源，如连接第一电压源vdd。

浮动扩散点fd沿第一倾斜方向a1倾斜设置在光电二极管pd和增益控制电容c之间，转换增益控制晶体管dcg沿第二倾斜方向a2倾斜设置在浮动扩散点fd和增益控制电容c之间，转换增益控制晶体管dcg的栅极呈不规则形状布置，其源极与浮动扩散点fd连接，其漏极与增益控制电容c和复位晶体管rst连接。第一倾斜方向a1和第二倾斜方向a2交叉。优选地，浮动扩散点fd以45°的倾斜角度设置在光电二极管pd和第一极10之间，转换增益控制晶体管dcg以45°的倾斜角度设置在浮动扩散点fd和第一极10之间，且浮动扩散点fd和转换增益控制晶体管dcg正交设置。

针对某一像素单元的布局结构，复位晶体管rst位于上一行像素单元中按行方向x相邻的两个光电二极管pd之间，源极跟随晶体管sf连接在浮动扩散点fd和行选择晶体管rs之间，源极跟随晶体管sf和行选择晶体管rs位于本行像素单元中按行方向x相邻的两个光电二极管pd之间。

本实施例的布局结构中，复位晶体管rst、转换增益控制晶体管dcg、源极跟随晶体管sf和行选择晶体管rs依序设置在左右相邻的两列光电二极管pd之间，其中转换增益控制晶体管dcg以一角度倾斜设置，复位晶体管rst、源极跟随晶体管sf和行选择晶体管rs同一方向布局。留出了上下相邻的两行光电二极管pd之间的布局空间，使得增益控制电容c的大小得以增大。

进一步地，请参图2和图4，四个矩阵排列的像素单元构成一像素单元组，增益控制电容c的连接部11位于该像素单元组的中心位置，该增益控制电容c与位于其连接部11左下方的光电二极管pd对应，并连接至该光电二极管pd的右上角。光电二极管pd在位于连接部11的右上方、右下方及左上方处设有缺口，以使得增益控制电容c的连接部11形成为多边形，连接部11向上方和/或下方凸伸以连接至复位晶体管rst，连接部11向左方和/或右方凸伸以连接至增益控制电容c的拓展部12。本实施例中，连接部11向上方凸伸以连接至复位晶体管rst，连接部11向右方凸伸以连接至增益控制电容c的拓展部12，转换增益控制晶体管dcg在像素单元组的中心位置以一角度倾斜设置，且一端靠近像素单元组中位于左上角的光电二极管pd设置，另一端靠近像素单元组中位于右下角的光电二极管设置，充分利用了像素阵列的中心位置空间和像素单元间隙空间，有利于减少像素尺寸及提升填充因子。

由于有源元件的布局结构留出了上下相邻的两行光电二极管pd之间的布局空间，优选地，增益控制电容c的第一极10沿行方向x的长度大于像素单元沿行方向x的长度的50％，拓展部12沿列方向y的宽度大于按列方向y相邻的两个光电二极管pd之间的间距的40％。具体地，自连接部11的最左端至与其相连的拓展部12的最右端的距离为增益控制电容c的第一极10的长度l1，像素单元沿行方向x的长度l2例如为3.8～4.5μm，第一极10的长度l1例如为3～3.65μm；拓展部12沿列方向y的宽度l3例如为0.4～0.5μm，按列方向y相邻的两个光电二极管pd之间的间距l4例如为0.7～0.9μm，拓展部12与位于其列方向y上两侧的光电二极管pd分别相距0.1～0.25μm，连接部11沿列方向y的宽度略大于拓展部12。在一个实施方式中，第一极10的长度l1为3.57μm；拓展部12沿列方向y的宽度l3为0.45μm，拓展部12与位于其列方向y上两侧的光电二极管pd之间及其他有源区域之间均设置隔离结构13，该隔离结构13采用离子注入方式隔离或sti隔离。

本实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括本实施例所提供的任一种图像传感器，该电子设备例如为数码照相机、视频摄像机、电脑、便携式终端设备、复印机等。

本实施例采用连接部11和凸伸至按列方向y相邻的两个光电二极管pd之间的拓展部12结合以构成增益控制电容c，并通过其他有源元件的布局设计增大增益控制电容c，增益控制电容c的电容值为现有技术中电容值的3～5倍，进而可以达到更低的低增益值以增大图像传感器的增益比率，并提升图像传感器在高光场景下的工作性能。

第二实施例

请参图6，本实用新型第二实施例提供一种图像传感器，与上述第一实施例的区别点在于，本实施例中增益控制电容c的第二极20由多晶硅形成，第二极20设置在按列方向y相邻的两个光电二极管pd之间，第一极10和第二极20相对设置且两者间夹有氧化物绝缘层。增益控制电容c形成为mos电容，使得增益控制电容c在相同的面积内具有更大的电容值，进一步降低了低增益值。

请参图7，示出了本实施例中像素单元设置金属布线的布局结构示意图，增益控制电容c的第二极20与转换增益控制晶体管dcg的栅极通过增益控制信号线30连接，增益控制信号线30位于按列方向y相邻的两行光电二极管pd之间，沿行方向x延伸并连接多个增益控制电容c的第二极20和多个转换增益控制晶体管dcg的栅极。

在复位阶段t1，复位晶体管rst的栅极、转换增益控制晶体管dcg的栅极和增益控制电容c的第二极20均置为高电平，因此增益控制电容c的第二极20与转换增益控制晶体管dcg的栅极响应于相同的增益控制信号vdcg不会影响浮动扩散点fd复位为高电平。在低转换增益时信号电压vl1输出阶段t5，转换增益控制晶体管dcg的栅极和增益控制电容c的第二极20均置为高电平，增益控制电容c放大浮动扩散点fd和第一电压源vdd之间的电容值。因此，本实施例中，增益控制电容c的第二极20与转换增益控制晶体管dcg的栅极可以响应于相同的增益控制信号vdcg，不需要为增益控制电容c的第二极20设置单独的信号线，简化了电路设计和电路布局。

进一步地，增益控制信号线30与转换增益控制晶体管dcg之间的第一触点41位于转换增益控制晶体管dcg的右上角。由于增益控制信号线30和增益控制电容c的拓展部12共同沿行方向x延伸，因此增益控制信号线30和增益控制电容c的第二极20之间可以设置多个第二触点42，该多个第二触点42在行方向x上间隔排列，使得第二极20上被施加更均一的信号，进一步提升了增益控制电容c的电荷容量，使图像传感器能达到更低的低增益值。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。