图像传感器及控制图像传感器的方法与流程

1.本发明涉及图像传感器及控制该图像传感器的方法，具体地涉及改善包括薄膜晶体管的图像传感器的特性的技术。


背景技术：

2.平板检测器(fpd)被公知为一种类型的图像传感器。fpd可用于x射线荧光透视，并且已经被改进为具有更高的分辨率。通过这种改进而减小的像素尺寸导致信号量的减少，这降低了采用无源像素传感器(pps)方法的传统fpd中的信噪比(snr)。
3.解决该问题的方法是有源像素传感器(aps)方法，该方法利用每个像素中设置的放大电路。在晶体硅基板上制造的互补金属氧化物半导体(cmos)传感器采用此aps方法。
4.cmos传感器中信号的放大是通过与电荷耦合器件(ccd)中的放大相同的原理执行的，即，晶体管将光电二极管中的电荷完全转移到浮动扩散放大器。


技术实现要素：

5.然而，fpd中包括的晶体管是薄膜晶体管(tft)。即使包括薄膜晶体管的图像传感器具有诸如cmos aps像素的包括放大器的像素，也不能放大光电二极管处的电压。这是因为无法实现执行与ccd相同的动作(电荷的完全转移)的装置结构。因此，需要一种改善包括薄膜晶体管的图像传感器中的snr的技术。
6.本发明的一个方面是一种图像传感器，包括：绝缘基板；在绝缘基板上的多个像素；以及恒定电流源。多个像素中的每一个像素包括：光电转换元件；第一薄膜晶体管，其具有被设置为夹置沟道的第一栅极和第二栅极；第二薄膜晶体管；以及第三薄膜晶体管。第一栅极被供应通过光电转换元件产生的信号。恒定电流源通过第一信号线将恒定电流供应给第一薄膜晶体管。第二栅极通过第二信号线被供应与第一信号线的电位相差预定电压的电位。第二栅极具有比第一栅极小的电容。第二薄膜晶体管的栅极被供应复位控制信号。第二薄膜晶体管将从复位电源线接收的复位电位供应给光电转换元件。第三薄膜晶体管是否处于导通状态由输入到第三薄膜晶体管的栅极的选择信号控制。第三薄膜晶体管设置在第一信号线与第一薄膜晶体管之间，并且来自恒定电流源的电流经由导通状态的第三薄膜晶体管流入第一薄膜晶体管。
7.本发明的一个方面是一种控制图像传感器的方法，该图像传感器包括绝缘基板以及在绝缘基板上的多个像素。多个像素中的每一个像素包括：光电转换元件；第一薄膜晶体管，其具有设置为在层叠方向上夹置沟道的第一栅极和第二栅极；第二薄膜晶体管；以及第三薄膜晶体管，其设置在第一信号线与第一薄膜晶体管之间。第二栅极具有比第一栅极小的电容。第一栅极被配置为被供应由光电转换元件产生的信号。该方法包括：向第三薄膜晶体管的栅极供应选择信号，以控制第三薄膜晶体管是否处于导通状态，并通过第一信号线向第一薄膜晶体管供应恒定电流；以及通过第二信号线将与第一信号线的电位相差预定电压的电位供应给第二栅极；输出与第一信号线的电位相对应的电位；向第二薄膜晶体管的
栅极供应复位控制信号；以及通过第二薄膜晶体管将复位电源线的复位电位供应给光电转换元件。
8.本发明的一方面改善了包括薄膜晶体管的图像传感器的snr。
9.应当理解，前面的概述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，并且不限制本发明。
附图说明
10.图1是示出根据本发明的实施方式的图像传感器的结构示例的框图；
11.图2是示出一个像素的电路和信号检测电路的一部分的结构的电路图；
12.图3是图2所示的电路中的信号的时序图；
13.图4是示意地示出放大器晶体管和光电二极管的装置结构的示例的剖视图；
14.图5是示意性示出放大器晶体管和光电二极管的装置结构的另一示例的剖视图；
15.图6是示出根据本发明的实施方式的图像传感器的另一结构示例的框图；以及
16.图7示出了输出电路的结构示例。
具体实施方式
17.在下文中，参考附图详细描述本发明的图像传感器。每幅图中的元件视情况改变大小或比例以在图中识别。图中的阴影线是为了将元件区分开，而不是表示横截面。
18.本发明的图像传感器可应用于医学和工业非破坏性测试领域中的放射线成像装置。本文公开的图像传感器包括像素，每个像素包括放大电路和用于读取像素的信号的电路。要被检测的光是具有任何频率的电磁射线，其可以是红外线、可见光或x射线。
19.像素中的放大电路包括具有顶部栅极(第一栅极)和底部栅极(第二栅极)的放大器薄膜晶体管。像素中包括的光电转换元件的信号被供应给放大器薄膜晶体管的顶部栅极或底部栅极。读取电路包括用于经由第一信号线向放大器薄膜晶体管供应恒定电流的恒定电流源。读取电路还将与第一信号线的电位相差预定电压的电位供应给放大器薄膜晶体管的另一栅极。第一信号线的电位基于光电转换元件的信号和放大器薄膜晶体管的两个栅极的电容。光电转换元件的信号的放大率可以通过设计两个栅极电容来决定。
20.在下文中，具体描述本发明的实施方式。图1是示出根据本发明的实施方式的图像传感器的结构示例的框图。本发明的图像传感器10包括传感器基板11和控制电路。控制电路包括驱动电路14、信号检测电路16以及电源电路17。
21.传感器基板11包括绝缘基板(例如玻璃基板)和像素区域12，在像素区域12中像素13以水平和垂直矩阵状设置在绝缘基板上。在本说明书中，要检测的光的频率不受限制。像素区域12可以包括闪烁体，该闪烁体响应于要检测的放射线而发射荧光。
22.驱动电路14驱动像素13从而用像素13检测光。成对的复位控制线和选择线从驱动电路14延伸至各个像素行；像素行中每个像素13与像素行的复位控制线和选择线连接。像素行在图1中由水平排列的像素组成。图1中垂直排列的像素构成像素列。
23.在图1的示例中，最上面的像素行的复位控制线和选择线分别由附图标记rst1和g1表示。此外，最下面的像素行的复位控制线和选择线分别由附图标记rstn和gn表示，其中n是大于1的整数并且对应于像素行的数量。在下面的描述中，指定的复位控制线和选择线
分别由附图标记rstk和gk表示，其中k是整数1至n中的一个。
24.复位控制线rstk传输用于选择要复位的像素行k的复位控制信号。选择线gk传输用于选择要从每个像素读取与检测到的光量相对应的信号(光电检测信号)的像素行k的选择信号。驱动电路14利用选择线g1至gn的选择信号依次选择要读取光电检测信号的像素行，并且利用复位控制线rst1至rstn的复位控制信号依次选择要复位的像素行。
25.电源电路17将电源电位供应给像素13。两条电源线vr和vb从电源电路17延伸到像素区域12。电源线vb和vr在像素区域内延伸以与所有的像素13连接。电源线vb和vr向像素13供应恒定的电源电位。如稍后将描述的，电源线(复位电源线)vr供应复位电位以复位像素13。电源线vb供应基准电位。
26.信号检测电路16检测来自每个像素13的信号。信号检测电路16同时从驱动电路14选择的像素行中的像素中读取与检测光量相对应的信号。成对的第一信号线和第二信号线从信号检测电路16延伸到各个像素列；像素列中的每个像素13与像素列的第一信号线和第二信号线连接。
27.最左像素列的第一信号线和第二信号线分别由附图标记dd1和dg1表示。此外，用于最右像素列的第一信号线和第二信号线分别由附图标记ddm和dgm表示，其中m是大于1的整数并且对应于像素列的数量。在下面的描述中，指定的第一信号线和第二信号线分别由附图标记ddj和dgj表示，其中j是整数1至m中的一个。如稍后将描述的，信号线dd和dg的电位均根据像素13的光电转换元件的检测信号而变化，以表示像素13的光电检测信号的电平(在像素13处检测到的光量)。
28.图1的示例中的驱动电路14和信号检测电路16被制造为与传感器基板11分离的部件，并且例如它们被安装在硅基板上。这些电路可以被包含在不同的ic芯片中。它们中的一些或全部可以被包含在同一ic芯片中。一个电路可以被包括在多个ic芯片中。
29.图2是示出一个像素13的电路和信号检测电路16的一部分的结构的电路图。本发明的图像传感器的一个像素13包括放大器晶体管tamp、复位晶体管tr、选择晶体管tvs以及光电二极管pd。放大器晶体管tamp、复位晶体管tr、选择晶体管tvs和光电二极管pd分别是第一薄膜晶体管、第二薄膜晶体管、第三薄膜晶体管和光电转换元件的示例。
30.光电二极管pd是用于将光转换成电荷的光电转换元件的示例；它产生与接收到的光量相对应的光电检测信号。可以采用不同类型的光电转换元件。三个晶体管tamp、tr和tvs是薄膜晶体管。它们可以是任何种类的薄膜晶体管；氧化物半导体薄膜晶体管是一个示例，多晶硅薄膜晶体管是另一示例。
31.放大器晶体管tamp放大光电二极管pd的一端处的电位(光电检测信号)。本发明的实施方式中的放大器晶体管tamp具有双栅极结构。本说明书中的双栅极结构包括跨沟道的顶部栅极tg和底部栅极bg。
32.在图2的示例中，光电二极管pd的阴极与放大器晶体管tamp的顶部栅极和复位晶体管tr的源极连接，并且光电二极管pd的阳极与供应基准电位的电源线vb连接。复位晶体管tr将光电二极管pd和放大器晶体管tamp的顶部栅极的电位复位。复位晶体管tr的漏极与用于供应复位电位的电源线vr连接。电源线vr的复位电位高于电源线vb的基准电位。复位晶体管tr的栅极与相关联的复位控制线rst连接。
33.放大器晶体管tamp的源极与电源线vb连接，并且放大器晶体管tamp的漏极与选择
晶体管tvs的源极连接。放大器晶体管tamp的底部栅极与相关联的信号线dgj连接。选择晶体管tvs的漏极与相关联的信号线ddj连接。选择晶体管tvs的栅极与相关联的选择线gk连接。选择晶体管tvs控制像素13的输出。
34.图2还示出了用于读取设置在信号检测电路16中的像素13的光电检测信号的电路。信号检测电路16包括用于各个像素列的读取电路。读取电路包括恒定电流源201、电压跟随器203以及电压源vbs。恒定电流源201与电压源vp连接，并向信号线ddj输出恒定电流iref。
35.信号线ddj与电压跟随器203的运算放大器的非反相输入端连接，以将信号线ddj的电位输入其中。运算放大器的输出端与反相输入端连接。运算放大器的输出端是电压跟随器的输出端，即电位vout。输出电位vout等于信号线ddj的电位。
36.电压源vbs被连接在电压跟随器203的输出端与信号线dgj之间。在图2的示例中，信号线dgj的电位比电压跟随器203的输出电压vout低电压源vbs的电压(恒定电压)。因此，比电压跟随器203的输出电压vout低预定电压的电位被供应给放大器晶体管tamp的底部栅极bg。结果，恒定电流适当地流过放大器晶体管tamp。
37.图3是图2所示的电路中的信号的时序图，具体地，是读取一个像素的光电检测信号的时序图。图3示出了选择线gk上的选择信号、复位控制线rstk上的复位信号、信号线ddj上的信号和信号线dgj上的信号的时间变化。
38.在时间t1，驱动电路14将选择线gk上的选择信号从低电平改变为高电平。信号线ddj的电位增加到与在光电二极管pd处接收的光量相对应的电位v1。信号检测电路16在从时间t1到时间t2的时段中读取与在光电二极管pd处接收的光量相对应的信号电位。
39.在时间t2，驱动电路14将像素13的复位控制信号(复位控制线rstk上的信号)从低电平改变为高电平。结果，与光电二极管pd的电位相对应的信号线ddj的电位从v1变为v2。在从时间t3到时间t4的时段中，信号检测电路16在光电二极管pd被复位之后读取信号电位v2。信号检测电路16输出值(v1
‑
v2)作为像素的实际光电检测信号。
40.返回到图2，说明放大器晶体管tamp对光电二极管pd的电位(光电检测信号)的放大。读取电路中的电压跟随器203的输出电位vout是被放大器晶体管tamp放大的光电二极管pd的光电检测信号。
41.具体地，光电二极管pd的电位vpd根据入射在光电二极管pd上的光量而变化。电位vpd被供应给放大器晶体管tamp的顶部栅极tg。当选择晶体管tvs按照选择线gk上的选择信号变为导通状态时，信号线ddj的电位变化，使得放大器晶体管tamp的漏极电流变得等于电流源的恒定电流iref。
42.信号线ddj的电位被输入到电压跟随器203的非反相输入端，并且被传输到电压跟随器203的输出端。比电压跟随器203的输出电压vout低电压源vbs的电压的电位被供应给信号线dgj。信号线dgj与放大器晶体管tamp的底部栅极bg连接。
43.当放大器晶体管tamp在饱和区工作并且饱和区中的漏极电流(流过漏极和源极之间的沟道的电流)基本上独立于漏极
‑
源极电压时，满足以下关系：
[0044][0045]
其中，ctg表示放大器晶体管tamp的顶部栅极tg与半导体膜之间的顶部栅极电容，
cbg表示底部栅极bg与半导体膜之间的底部栅极电容，vtgs表示放大器晶体管tamp的顶部栅极相对于源极的电压，α和α’是常数。鉴于式(1)，当ctg＞cbg时，可以使光电二极管pd的光电检测信号的电位vpd的放大率大于1。
[0046]
下面将更详细地描述。基于以下渐变沟道近似的近似式是在薄膜晶体管的饱和区中可忽略漏极电流对漏极
‑
源极电压的依赖性的示例。
[0047][0048]
使用上式(2)描述本发明的实施方式中的像素13的操作。图2中的放大器晶体管tamp在ids＝iref、vgs＝vout
–
vbs、vds＝vout的条件下操作，其中vgs表示栅极
‑
源极电压(栅极相对于源极的电压)，vbs表示电压源vbs的电压。
[0049]
具有双栅极结构的放大器晶体管tamp的阈值电压vth表示为下式：
[0050][0051]
其中，vth0是由放大器晶体管tamp的结构确定的常数。
[0052]
当将此值代入前述式(2)时，获得下式：
[0053][0054]
假定电源线vb的电位(源极电位)为0，该式(4)通过对vout进行求解被改写为：
[0055][0056]
这与式(1)相同。如上所述，通过使具有双栅极结构的放大器晶体管tamp在饱和区中动作，可以以特定的放大率放大光电二极管pd的光电检测信号。光电二极管pd的输出电位vout与电位vpd(光电检测信号)之间的关系表达式不取决于近似式的种类。当漏极电流不取决于漏极
‑
源极电压时，满足上述关系式。当这种依赖性较小时，可以更有效地放大光电二极管pd的光电检测信号。
[0057]
尽管图2的示例中的三个晶体管tamp、tr和tvs是n型晶体管，但是这些晶体管的一部分或全部可以是p型晶体管。尽管图2的示例中的放大器晶体管tamp被供应光电二极管pd的阴极的电位，但是其可以被供应阳极的电位。
[0058]
在图2的结构示例中，放大器晶体管tamp的底部栅极bg被供应比电压跟随器的输出低一定电压的电位；然而，关于放大器晶体管的底部栅极的电压的极性取决于电路配置。为了在不影响信号线dd的电位的情况下产生与信号线dd的电位相差预定电压的电位，可以采用与电压跟随器不同的电路。
[0059]
在下文中，描述像素13的装置结构。图4是示意性示出放大器晶体管tamp和光电二极管pd的装置结构的示例的剖视图。放大器晶体管tamp和光电二极管pd被制造在诸如玻璃基板或树脂基板的绝缘基板401上。
[0060]
放大器晶体管tamp包括形成在绝缘基板401上的底部栅电极402。底部栅电极402可以由基于铝的合金制成。
[0061]
底部栅极绝缘膜403设置在绝缘基板401和底部栅电极402的上方以覆盖底部栅电极402。底部栅极绝缘膜403可以是氧化硅膜、氮化硅膜或它们的层叠体。
[0062]
岛状的半导体膜404设置在底部栅极绝缘膜403的上方。半导体膜404可以由氧化物半导体构成。氧化物半导体的示例是非晶ingazno(a
‑
ingazno)和微晶ingazno。此外，诸如a
‑
insnzno、a
‑
ingaznsno和zno的氧化物半导体也是适用的。氧化物半导体实现了具有比其他薄膜半导体材料更高的饱和特性的晶体管。
[0063]
源电极405和漏电极406形成为与半导体膜404的顶表面的一部分接触。源电极405和漏电极406可以由钛或钼制成。
[0064]
顶部栅极绝缘膜407设置为覆盖半导体膜404、源电极405和漏电极406。顶部栅极绝缘膜407可以是氧化硅膜、氮化硅膜或它们的层叠体。顶部栅电极408形成在顶部栅极绝缘膜407的上方。顶部栅电极408可以由基于铝的合金制成。顶部栅电极408和底部栅电极402设置为在层叠方向上夹住半导体膜404。
[0065]
层间绝缘膜409设置在顶部栅电极408和顶部栅极绝缘膜407的上方。层间绝缘膜409可以是无机或有机绝缘膜。光电二极管pd的底部电极410设置在层间绝缘膜409的上方。底部电极410通过层间绝缘膜409中的通孔与顶部栅电极408接触。底部电极410可以由铬制成。
[0066]
n型非晶硅膜411、本征非晶硅膜412、p型非晶硅膜413按照该顺序层叠在底部电极410的上方。光电二极管的硅膜的材料不限于特定的材料。
[0067]
光电二极管pd的顶部电极415设置在p型非晶硅膜413的上方。顶部电极415可以由诸如ito的透明金属制成。
[0068]
钝化膜416设置在顶部电极415的上方。钝化膜416由绝缘体制成；钝化膜416可以是氧化硅膜、氮化硅膜或它们的层叠体。
[0069]
电源线417形成在钝化膜416的上方。电源线417通过钝化膜416中的通孔与顶部电极415接触。电源线417对应于图2中的电源线vb。电源线417可以由基于铝的合金制成。第二钝化膜418设置在电源线417和钝化膜416的上方。第二钝化膜418覆盖整个像素13。第二钝化膜418由绝缘体制成；第二钝化膜418可以是氧化硅膜、氮化硅膜或它们的层叠体。
[0070]
图4的结构示例中的光电二极管pd被制造在比放大器晶体管tamp靠上的位置。这种结构使得光电二极管pd能够从绝缘基板401的相对侧接收光，防止绝缘基板401减少要检测的光。因此，可以进行有效的光电检测。上侧光电二极管pd的底部电极410与下侧放大器晶体管tamp的顶部栅电极408接触，以实现简单的结构。光电二极管与放大器晶体管之间的位置关系以及电极的连接可以根据设计而改变。
[0071]
如上所述，顶部栅电极408与半导体膜404之间的顶部栅极电容大于底部栅电极402与半导体膜404之间的底部栅极电容。这种配置使得光电二极管pd的检测信号的放大率大于1。如果光电二极管pd的端子与底部栅电极连接，则放大器晶体管被配置为使得底部栅极电容将大于顶部栅极电容。
[0072]
图5是示意性示出放大器晶体管tamp和光电二极管pd的装置结构的另一示例的剖视图。主要描述与图4所示的结构示例的不同之处。在图5的结构示例中，光电二极管pd和放大器晶体管tamp共用一个公共电极420。具体地，公共电极420是光电二极管pd的底部电极，也是放大器晶体管tamp的顶部栅电极。图4所示的层间绝缘膜409可以被去除。在光电二极管pd和放大器晶体管tamp之间共用的该一个电极简化了传感器基板11的制造工艺。
[0073]
图6是示出与本发明的实施方式有关的图像传感器的另一结构示例的框图。下面
主要描述与图1中所示的结构示例的不同之处。图1的结构示例中的信号检测电路16的一部分作为输出电路19被制造在传感器基板11上。图6中的结构示例包括输出电路19，每个输出电路19与像素列相关联，仅一个输出电路通过附图标记19表示。
[0074]
每个输出电路19包括图2的电路图中的恒定电流源201。用于相关的像素列的信号线ddj从输出电路19延伸。用于传输来自电压源vp的电位的电源线vpl从信号检测电路16延伸，并且其与所有的输出电路19连接。进一步，控制信号线refb从信号检测电路16延伸，并且其与所有的输出电路19连接。控制信号线refb传输用于控制输出电路19中的恒定电流源的电流量的信号。
[0075]
图7示出了输出电路19的结构示例。具体地，输出电路19包括晶体管tcm。晶体管tcm的栅极被供应控制信号线refb上的控制信号。晶体管tcm的漏极与电源线vpl连接，并且源极与信号线ddj连接。控制信号线refb被供应预定的恒定电位，使得恒定电流流过晶体管tcm。例如，晶体管tcm可以与信号检测电路16中的二极管连接的晶体管一起用作电流镜电路。
[0076]
如上所述，通过在传感器基板11上设置信号检测电路16的恒定电流源，简化了信号检测电路16的结构。此外，通过对晶体管tcm采用氧化物半导体晶体管，由于其高饱和特性，实现了高性能的恒定电流源。
[0077]
如上所述，即使该图像传感器具有更高的分辨率或更小的像素，本发明的图像传感器也保持高snr。
[0078]
如上所述，已经描述了本发明的实施方式。然而，本发明不限于前述实施方式。本领域技术人员可以在本发明的范围内容易地修改、添加或转换前述实施方式中的每个要素。一个实施方式的结构的一部分可以用另一实施方式的结构代替，或者一个实施方式的结构可以并入另一实施方式的结构中。