图像传感单元和阵列结构及像素元间相互作用的实现方法

1.本公开涉及半导体器件及集成电路技术领域，尤其涉及一种图像传感单元和阵列结构及像素元间相互作用的实现方法。


背景技术：

2.机器视觉系统可以有效地实现物体监测和图像识别，在监控安保、人机交互等领域应用广泛。在图像传感器中实现一定的图像预处理功能，是降低机器视觉系统复杂度，提高其性能表现的有效方法。而实现图像传感器像素单元间相互作用，即某像素元的输出强弱不仅由其所照光强决定，还受其周围像素元输出信号强弱调控，是在图像传感器中实现一定图像预处理功能的有效方法。例如实现像素元间的输出信号相互抑制功能，则可以强化图像的轮廓信息，在图像传感器内实现图像边缘强化的与处理功能，有利于物体的检测和识别。然而，现有技术中缺乏能够很好实现像素元间相互作用的简单结构及方法。


技术实现要素：

3.鉴于上述技术问题，本公开第一方面提供一种图像传感单元结构，用于实现像素元间相互作用，包括：阱结构，阱结构为p型阱结构或n型阱结构；埋氧层，设置于阱结构上；晶体管，设置于埋氧层上；重掺杂硅层，设置于晶体管四周且位于埋氧层上，其中，重掺杂硅层数量为四个，晶体管四周的每一方位设置一个重掺杂硅层，每一重掺杂硅层与晶体管隔开，四个重掺杂硅层之间相互独立。
4.根据本公开的实施例，图像传感单元结构还包括：控制电极，与阱结构电连接，用于控制像素单元在曝光操作和复位操作之间切换。
5.根据本公开的实施例，在阱结构为p型阱结构的情况下，控制电极施加负电压进行曝光操作；在阱结构为n型阱结构的情况下，控制电极施加正电压进行曝光操作。
6.根据本公开的实施例，在控制电极施加负电压的情况下，阱结构中形成方向为埋氧层指向阱结构的电场，以使光生电子聚集在埋氧层下方；在控制电极施加正电压的情况下，阱结构中形成方向为阱结构指向埋氧层的电场，以使光生空穴聚集在埋氧层下方。
7.根据本公开的实施例，图像传感单元结构还包括：衬底，阱结构设置于衬底上；浅槽隔离层，接触设置于阱结构的四周且位于得到衬底上。
8.根据本公开的实施例，晶体管为金属-氧化物半导体场效应晶体管，金属-氧化物半导体场效应晶体管上设有栅极、源极和漏极；其中，栅极用于开启或关断晶体管，漏极和源极用于读出信号。
9.本公开第二方面提供一种图像传感阵列结构，该图像传感阵列结构由多个如上述的图像传感单元结构交替排列而成；其中，每一图像传感单元的阱结构的掺杂类型与该图像传感单元直接相邻的其他四个图像传感单元的阱结构的掺杂类型均相反，每一图像传感单元的四个重掺杂硅层分别与该图像传感单元直接相邻的其他四个图像传感单元的一个重掺杂硅层连接。
10.根据本公开的实施例，图像传感单元的重掺杂硅层不连接外部的电压控制信号。
11.本公开第三方面提供一种基于上述的图像传感阵列结构的像素元间相互作用的实现方法，包括：在p型阱结构的图像传感单元的控制电极上施加负电压，以在p型阱结构中形成方向为埋氧层指向阱结构的电场，以使光生电子聚集在埋氧层下方；在与p型阱结构的图像传感单元直接相邻的n型阱结构的图像传感单元的控制电极上施加正电压，以在n型阱结构中形成方向为阱结构指向埋氧层的电场，以使光生空穴聚集在埋氧层下方，对p型阱结构的图像传感单元的电势随光照的变化进行抑制。
12.根据本公开实施例提供的图像传感单元和阵列结构及像素元间相互作用的实现方法，至少能够实现以下技术效果：
13.该图像传感单元结构和阵列结构的结构简单，能够很好地实现像素元间相互作用，进而可以实现如图像边缘强化等预处理功能。
附图说明
14.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
15.图1示意性示出了根据本公开一实施例的图像传感单元的结构图。
16.图2示意性示出了根据本公开另一实施例的图像传感单元的结构图。
17.图3示意性示出了根据本公开一实施例的图像传感阵列结构的俯视图。
18.图4示意性示出了根据本公开实施例的像素单元曝光且h极悬空时，h极电势随光强的变化关系曲线图。
19.图5示意性示出了根据本公开实施例的图像传感阵列中各图像传感单元埋氧层下方电势随入射光强变化的关系曲线图。
20.图6示意性示出了根据本公开实施例的图像传感阵列中各图像传感单元读出信号随光强变化的关系曲线图。
21.图7示意性示出了根据本公开实施例的基于图像传感阵列对一维图像进行边缘强化的效果图。
具体实施方式
22.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
23.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
24.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，
可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
25.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
26.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。
27.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
29.针对现有技术的不足，本公开实施例提供一种图像传感单元结构，用于实现像素元间相互作用，包括：阱结构、埋氧层、晶体管和重掺杂硅层，其中，埋氧层设置于阱结构上，晶体管设置于埋氧层上，重掺杂硅层，置于晶体管四周且位于埋氧层上，重掺杂硅层数量为四个，晶体管四周的每一方位设置一个重掺杂硅层，每一重掺杂硅层与晶体管隔开，四个掺杂硅层之间相互独立。下面结合具体的实施例进行详细介绍。
30.图1示意性示出了根据本公开一实施例的图像传感单元结构的主视图和俯视图。
31.如图1所示，该图像传感单元结构为p型图像传感单元，也即阱结构为阱掺杂类型为p型的超薄体，p型的超薄体上设有埋氧层。埋氧层的上方设置有晶体管，晶体管四周设有四个重掺杂硅层，每一重掺杂硅层与晶体管隔开，四个重掺杂硅层之间相互独立。每一重掺杂硅层形成一个h极，如图1中标号1～4所示。
32.在本实施例中，晶体管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(mos管)，mos管上设有栅极vg、源极vs和漏极vd。栅极vg、源极vs和漏极vd均连接外部电压控制信号，其中，栅极vg用于开启或关断晶体管，漏极vd和源极vs用于读出信号。
33.在本实施例中，图像传感单元结构还可以包括控制电极，控制电极与阱结构电连接，用于控制像素单元在曝光操作和复位操作之间切换。在阱结构为p型阱结构的情况下，控制电极施加负电压进行曝光操作。在控制电极施加负电压的情况下，阱结构中形成方向为埋氧层指向阱结构的电场，以使光生电子聚集在埋氧层下方，拉低埋氧层下方的电势。
34.在本实施例中，图像传感单元结构还可以包括：衬底，阱结构设置于衬底上。浅槽隔离层，接触设置于阱结构的四周且位于得到衬底上。
35.图2示意性示出了根据本公开另一实施例的图像传感单元结构的主视图和俯视图。
36.如图2所示，该图像传感单元结构为n型图像传感单元，也即阱结构为阱掺杂类型为n型的超薄体，n型的超薄体上设有埋氧层。埋氧层的上方设置有晶体管，晶体管四周设有四个重掺杂硅层，每一重掺杂硅层与晶体管隔开，四个重掺杂硅层之间相互独立。每一重掺杂硅层形成一个h极，如图2中标号1～4所示。
37.在本实施例中，在阱结构为n型阱结构的情况下，控制电极可以施加正电压进行曝光操作。在控制电极施加正电压的情况下，阱结构中形成方向为阱结构指向埋氧层的电场，以使光生空穴聚集在埋氧层下方，升高埋氧层下方的电势。
38.本实施例的图像传感单元结构对应的其他实施细节与图1相同，具体请参见图1所对应的实施例部分，此处不再赘述。
39.图3示意性示出了根据本公开一实施例的图像传感阵列结构的俯视图。
40.如图3所示，该图像传感阵列结构可以由图1和图2所示的图像传感单元结构交替排列而成。
41.在本实施例中，每一图像传感单元的阱结构的掺杂类型与该图像传感单元直接相邻的其他四个图像传感单元的阱结构的掺杂类型均相反，也就是说，每一个p型阱结构的图像传感单元四周的四个图像传感单元均为n型阱结构的图像传感单元，每一个n型阱结构的图像传感单元四周的四个图像传感单元均为p型阱结构的图像传感单元。
42.在本实施例中，每一图像传感单元的四个重掺杂硅层分别与该图像传感单元直接相邻的其他四个图像传感单元的一个重掺杂硅层连接(h极)。图像传感单元之间的h极可以通过h极互连线相连。例如，1号h极与靠近1号h极方向直接相邻的图像传感单元的3号h极相连，2号h极与靠近2号h极方向直接相邻的图像传感单元的4号h极相连，3号h极与靠近3号h极方向直接相邻的图像传感单元的1号h极相连，4号h极与靠近4号h极方向直接相邻的图像传感单元的2号h极相连。进一步地，图像传感单元的h极不连接外部的电压控制信号。
43.下面结合附图对前述的图像传感单元结构和图像传感单元阵列结构实现像素元间相互作用的原理进一步阐述。
44.图4示意性示出了根据本公开实施例的像素单元曝光且h极悬空时，h极电势随光强的变化关系曲线图。
45.如图4所示，由于p型阱结构的图像传感单元在曝光时，vb施加的是负的电压控制信号，在靠近埋氧层下方的阱区中形成方向为埋氧层指向阱结构的电场，使得光生电子会聚集在埋氧下方，拉低埋氧下方的电势。n阱单元与p阱单元相反，曝光操作时vb施加正电压，埋氧层下方积聚的是光生空穴，使得埋氧下方的电势升高。又由于像素单元中的h极为重掺杂硅层，h极与埋氧以及阱形成的是典型的mos电容结构，h极的电势会与埋氧下方的电势总是保持同向变化，因此，当单元h极悬空时，p阱单元h极电势随光强增大而变小，n阱单元变化方向与p阱单元恰好相反。
46.图5示意性示出了根据本公开实施例的图像传感阵列中各图像传感单元埋氧层下方电势随入射光强变化的关系曲线图。
47.如图5所示，由于图像传感阵列中各图像传感单元均具有与其相反的阱掺杂类型，各图像传感单元h极与其直接相邻图像传感单元的h极相连。由于阱掺杂类型不同的图像传
感单元h极电势在曝光时变化趋势相反，因此各图像传感单元的h极电势在追随本图像传感单元埋氧层下方电势变化的同时，会因其临近图像传感单元相连h极的影响叠加上与原电势变化相反的变化趋势，即各图像传感单元h极随光照的变化被临近图像传感单元抑制。而h极的电势与埋氧层下方电势两者总是要保持同向变化，因此，埋氧层下方电势随光照的变化也会因临近单元光照的影响被抑制，产生如图5所示的光强相应关系，其中，临近单元光强越强，通过h极传递的相反的电势变化趋势越大，埋氧层下方电势对光照的响应受到的抑制作用越为明显。
48.图6示意性示出了根据本公开实施例的图像传感阵列中各图像传感单元读出信号随光强变化的关系曲线图。
49.如图6所示，曝光时，图像传感单元埋氧层下方电势发生变化，由于背栅调制的作用，图像传感单元上方晶体管的漏极电流也会发生变化，漏极电流曝光前后的变化值即像素单元的读出信号的大小。对于基于utbb晶体管结构的感光单元而言，读出信号的大小与埋氧层下方电势变化的绝对值大小是正相关的，因此，图像传感阵列中图像传感单元的读出信号会随着光照增大，并且也会受到临近图像传感单元的抑制作用，临近图像传感单元光照越强，抑制作用越强。
50.图7示意性示出了根据本公开实施例的基于图像传感阵列对一维图像进行边缘强化的效果图。
51.如图7所示，设图像边缘出现在3号和4号像素元之间，图像左侧1-3号像素灰度值较小、4-6号像素灰度值较大。由于3号要比4号对应的像素单元入射光强小，因此3号相比1号和2号读出信号所受抑制作用要大，4号相比5和6号像素单元读出信号所受的抑制作用要小。因此，在入射光强相同，所代表的原始图像灰度值相同的情况下，因侧抑制作用3号像素单元读出值要比1和2号小，而4号像素单元的读出值要比5号和6号读出值要大，侧抑制像素阵列的读出结果就加大了原始图像边缘的差距感，强化了图像边缘。
52.总的来说，基于图4-图7，图像传感单元结构和图像传感单元阵列结构实现像素元间相互作用的原理可以总结为：在照光时，p型阱结构的图像传感单元与n型阱结构的图像传感单元的埋氧层下方电势变化方向相反，而各图像传感单元h极的电势变化与其埋氧层下方电势变化方向总是保持相同，因此，h极连接在一起的相邻的阱掺杂类型不同的图像传感单元，其埋氧层下方电势变化对光照的响应就会通过h极的传递发生相互作用，具体表现为相互抑制，从而各图像传感单元与其相邻图像传感单元的读出信号之间可以相互作用，进而可以实现如图像边缘强化等预处理功能。
53.基于同一发明构思，本公开实施例还提供一种像素元间相互作用的实现方法，包括：在p型阱结构的图像传感单元的控制电极上施加负电压，以在p型阱结构中形成方向为埋氧层指向阱结构的电场，以使光生电子聚集在埋氧层下方。在与p型阱结构的图像传感单元直接相邻的n型阱结构的图像传感单元的控制电极上施加正电压，以在n型阱结构中形成方向为阱结构指向埋氧层的电场，以使光生空穴聚集在埋氧层下方。
54.其中，p型阱结构的图像传感单元的电势随光照的变化与n型阱结构的图像传感单元的电势随光照的变化相互抑制。
55.需要说明书的是，方法实施例部分与结构实施例部分具体实施细节及效果相同或相似，具体请参见结构实施例部分，此处不再赘述。
56.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。