CN103681720A - 图像传感器及其背光校准方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器及其背光校准方法，所述图像传感器包括：有效像素区，具有多个感光像素单元；参考像素区，位于所述有效像素区的至少一侧外部；载流子抽离区，对应位于所述有效像素区与所述参考像素区之间。由于所述图像传感器具有位于所述有效像素区与参考像素区之间的所述载流子抽离区，因此，当所述有效像素区中的载流子进入到衬底中后，所述图像传感器可以通过背光校准方法从所述载流子抽离区抽离所述载流子，防止载流子迁移到所述参考像素区，因此，所述图像传感器能够进行准确的背光校准，从而提高图像传感器输出图像的质量。

Description

图像传感器及其背光校准方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种图像传感器及其背光校准方法。

背景技术

图像传感器是将光学信号转化为电信号的半导体器件。现有图像传感器又可以互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器和电荷耦合器件（CCD）图像传感器等不同类型。无论何种类型的图像传感器，其所得到的图像通常需要经过黑色背光信息（黑电平）背光校准（black level calibration），以便能真实地反映出黑色背光信息。准确的黑色背光信息背光校准有助于得到在阴影区域具有全对比(full contrast)和细微细节的数字照片，如果背光矫正不好的话，最终输出的图像可能显示为全黑（背光矫正过多，信息丢失）或者应该是黑的部分变灰（背光矫正过少，牺牲信号范围）。

现有图像传感器的背光校准方法通常是在图像传感器有效像素区边缘制作一些参考像素区。通过计算有效像素区的输出信号与参考像素区输出信号的对比进行黑色背光信息的背光校准。但是，现已发现，采用现有图像传感器及其背光校准方法始终无法对黑色背光信息进行准确背光校准，因此现有图像传感器无法获得高质量的图像。更多有关图像传感器背光校准方法的内容可参考公开号为CN102164250A（公开日2011.08.24）的中国发明专利申请。

为此，需要一种新的图像传感器和图像传感器的背光校准方法，以便能够对图像传感器的黑色背光信息进行准确背光校准，提高图像传感器所获得的图像的质量。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种图像传感器及其背光校准方法，以便对图像传感器的黑色背光信息进行准确背光校准，提高图像传感器所获得的图像的质量。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的背光校准方法，包括：

提供图像传感器，所述图像传感器包括有效像素区、位于有效像素区外的参考像素区及对应位于所述有效像素区与所述参考像素区之间的载流子抽离区；

通过所述载流子抽离区抽离所述有效像素区扩散于周边的载流子，致使参考像素区不受所述载流子的干扰；

分别采集所述有效像素区的图像输出信号与所述参考像素区的参考输出信号实现背光校准。

可选的，所述有效像素区包括多个感光像素单元；每个感光像素单元包括位于第一导电类型区域内的光电二极管；

所述载流子抽离区包括第二导电类型区和暴露于所述第二导电类型区外部的电极。

可选的，所述背光校准方法还包括：提供第一电压于所述电极，并通过所述载流子抽离区抽离所述有效像素区扩散于周边的载流子。

可选的，所述第二导电类型区包括：第二导电类型阱和形成于所述第二导电类型阱内的第二导电类型重掺杂部；所述电极连接形成于所述第二导电类型重掺杂部上。

可选的，所述载流子抽离区还包括位于所述第二导电类型阱下部的第二导电类型深阱，所述第二导电类型深阱具有比所述第二导电类型阱更宽的形状范围。

可选的，所述载流子抽离区位于所述有效像素区的每一侧外部。

可选的，当所述第一导电类型为P型且第二导电类型为N型时，所述载流子为电子，所述第一电压为正电压，所述第一电压的值为2.2V至2.8V。

可选的，对所述图像输出信号与所述参考输出信号进行做差实现背光校准。

为解决上述问题，本发明还提供了一种图像传感器，包括：

有效像素区，具有多个感光像素单元；

参考像素区，位于所述有效像素区的至少一侧外部；

载流子抽离区，对应位于所述有效像素区与所述参考像素区之间。

可选的，所述有效像素区包括多个感光像素单元；每个感光像素单元包括位于第一导电类型区域内的光电二极管；

所述载流子抽离区包括第二导电类型区和暴露于所述第二导电类型区外部的电极。

可选的，所述第二导电类型区包括：第二导电类型阱和形成于所述第二导电类型阱内的第二导电类型重掺杂部；所述电极连接形成于所述第二导电类型重掺杂部外。

可选的，所述载流子抽离区还包括位于所述第二导电类型阱下部的第二导电类型深阱，所述第二导电类型深阱具有比所述第二导电类型阱更宽的形状范围。

可选的，所述载流子抽离区位于所述有效像素区的每一侧外部。

可选的，当所述第一导电类型为P型、第二导电类型为N型时；所述载流子为电子，所述第一电压为正电压；所述第一电压的值为2.2V至2.8V。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，在图像传感器的有效像素区与参考像素区之间设置载流子抽离区，由于所述图像传感器具有位于所述有效像素区与参考像素区之间的所述载流子抽离区，因此，当所述有效像素区中的载流子进入到衬底中后，可以通过所述载流子抽离区抽离，防止载流子迁移到所述参考像素区，因此，所述图像传感器能够进行准确的背光校准，从而提高图像传感器输出图像的质量。

进一步，载流子抽离区包括第二导电类型阱和位于第二导电类型阱下部的第二导电类型深阱，第二导电类型深阱具有比第二导电类型阱更宽的形状范围。设置第二导电类型深阱使载流子抽离区范围扩大，进一步阻止载流子从有效像素区迁移到参考像素区。

进一步，设置第二导电类型深阱和第二导电类型阱的总深度（亦可看到是第二导电类型深阱的深度）大于感光像素单元的深度，也大于感光像素单元的深度，从而进一步防止载流子从有效像素区到达参考像素区。

进一步，载流子抽离区包括暴露于所述第二导电类型区外部的电极，通过所述电极向载流子抽离区施加电压，并且第一电压的值选择为2.2V至2.8V。一方面，如果第一电压太低，低于2.2V时，载流子抽离区无法快速和完全地抽离从感光像素单元泄漏到第一导电类型区域中的电子，另一方面，通常晶体管的工作电压多为2.8V，因此，控制第一电压在2.8V以下时，可以通过相应的晶体管对电极施加电压，无需进行其它升压操作，方便运用于各种电路结构中。

附图说明

图1为现有图像传感器的俯视示意图；

图2为现有图像传感器的切面示意图；

图3为本发明实施例所提供的图像传感器的俯视示意图；

图4为图3所示图像传感器沿A-A’点划线剖切得到的剖面示意图；

图5为本发明实施例所提供的图像传感器的背光校准方法的流程示意图。

具体实施方式

请参考图1，图1为现有图像传感器100的俯视示意图，现有图像传感器100包括有效像素区110和位于有效像素区110边缘的参考像素区120，参考像素区120用于进行背光校准。有效像素区110包括多个感光像素单元111，参考像素区120包括多个感光像素单元121。为了进行准确的背光校准，需要保证参考像素区120不受有效像素区110产生的电子影响。

请参考图2，图2为现有图像传感器100的切面示意图。现有图像传感器100中，由于有效像素区110与参考像素区120相邻，它们之间具有一定距离，这部分距离通常为衬底101的一部分，衬底101通常进行了轻掺杂，具有一定的导电性能。由于感光像素单元111产生的（光生）电子102数量众多，不可避免的会有电子102从感光像素单元111的光电二极管111a中漏出，而进入到衬底101中，衬底101具有一定的导电性能，因此，电子102容易迁移到感光像素单元121的光电二极管121a中去，一旦电子102迁移到光电二极管121a中，就会影响参考像素区120的信号，进而影响图像传感器的背光校准质量，最终影响图像传感器输出图像的质量。

为此，本发明提供一种新的图像传感器，所述图像传感器包括有效像素区和参考像素区，所述有效像素区具有包含多个图像传感器像素单元的像素阵列，所述参考像素区位于所述有效像素区的至少一侧外部，所述图像传感器还包括载流子抽离区，所述载流子抽离区对应位于所述有效像素区与所述参考像素区之间。由于所述图像传感器具有位于所述有效像素区与参考像素区之间的所述载流子抽离区，因此，当所述有效像素区中的载流子（即电子）进入到衬底中后，可以通过所述载流子抽离区抽离，防止载流子迁移到所述参考像素区，因此，所述图像传感器能够进行准确的背光校准，从而提高图像传感器输出图像的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种图像传感器200，请结合参考图3和图4。

请参考图3，图3为本实施例图像传感器200的俯视示意图，从中可以看到，图像传感器200包括有效像素区210和参考像素区220。有效像素区210具有多个感光像素单元211，感光像素单元211呈阵列排布，组成像素阵列。参考像素区220位于有效像素区210的其中一侧外部（在图3中为右侧外部）。参考像素区220同样具有多个感光像素单元221，感光像素单元221也成阵列排布。本实施中，图像传感器200还包括载流子抽离区230，载流子抽离区230对应位于的有效像素区210与参考像素区220之间。载流子抽离区230包括第二导电类型区（未标注，与载流子抽离区230的范围相等）和形成于第二导电类型阱231内的第二导电类型重掺杂部232。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，感光像素单元211组成的像素阵列可包括各种不同图案，例如，以一列或多列排布，或者以一行或多行排布，或者以一簇或多簇排布，或者以棋盘形图案排布，或者以不规则排布。

请参考图4，图4为图3所示图像传感器200沿A-A’点划线剖切得到的切面示意图，从中可以看到，每个图3所示感光像素单元211包括微透镜211a、滤光层211b、氧化物层211c和位于第一导电类型区域201（即衬底）内的光电二极管211d，其中图3所示的全部感光像素单元211共用一层氧化物层211c。

请继续参考图4，每个图3所示感光像素单元221包括微透镜221a、滤光层221b、蔽光层221c和位于第一导电类型区域201内的光电二极管221d，其中图3所示的全部感光像素单元221共用一层蔽光层221c，并且蔽光层221c可以为金属层不透明材料形成。

请继续参考图4，载流子抽离区230还包括暴露于第二导电类型区外部的电极234，电极234连接形成于第二导电类型重掺杂部232外，电极234可用于后续对载流子抽离区230施加第一电压。

请继续参考图4，载流子抽离区230还包括位于第二导电类型阱231下部的第二导电类型深阱233，第二导电类型深阱233具有比第二导电类型阱231更宽的形状范围。设置第二导电类型深阱233使载流子抽离区230范围扩大，进一步阻止电子202从有效像素区210迁移到参考像素区220。第二导电类型深阱233可以等于第二导电类型阱231形成，即先通过高能量掺杂形成第二导电类型深阱233，然后再在第二导电类型深阱233上通过掺杂形成第二导电类型阱231，并且，第二导电类型深阱233和第二导电类型阱231。

本实施例中，还设置第二导电类型深阱233和第二导电类型阱231的总深度（亦可看到是第二导电类型深阱233的深度）大于感光像素单元211的深度，也大于感光像素单元221的深度，从而进一步防止载流子从有效像素区210到达参考像素区220。

实施例中，当的第一导电类型为P型且第二导电类型为N型时，载流子为（光生）电子202。也就是说，当第一导电类型区域201为P型衬底区域时，第二导电类型阱231为N型阱（N阱），第二导电类型重掺杂部232为N型重掺杂部，第二导电类型深阱233为N型深阱。此时，可以通过在载流子抽离区230进行磷离子或者砷离子的掺杂形成第二导电类型阱231、第二导电类型深阱233和第二导电类型重掺杂部232。

此时，第一电压为正电压，并且第一电压的值选择为2.2V至2.8V，一方面，如果第一电压太低，低于2.2V时，载流子抽离区230无法快速和完全地抽离从感光像素单元211泄漏到第一导电类型区域201中的电子202，另一方面，通常晶体管的工作电压多为2.8V，因此，控制第一电压在2.8V以下时，可以通过相应的晶体管对电极234施加电压，无需进行其它升压操作，方便运用于各种电路结构中。

本实施例所提供的图像传感器200既可以是CMOS图像传感器（包括3T设计、4T设计和5T设计等），也可以是CCD图像传感器。并且图像传感器200既可以是正照式图像传感器（FSI），也可以是背照式图像传感器（BSI），本发明对此不作限定。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，载流子抽离区230可以位于有效像素区210的每一侧外部，以保证载流子抽离区230能够将从感光像素单元211漏出的电子202从任何方向抽离。此时，参考像素区220可以对应设置在有效像素区210的每一侧外部，参考像素区220也可以仅位于有效像素区210的其中一侧或者两侧的外部，无论参考像素区220如何设置，此时都保证了有效像素区210和参考像素区220之间具有载流子抽离区230。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，感光像素单元211的个数（pixelcell units）不作限定。例如，当图像传感器200为200万像素时，感光像素单元211的个数可以为1600×1200，即呈竖直方向1600行且水平方向1200列的矩阵阵列排布；当图像传感器200为30万像素时，感光像素单元211的个数可以为640×480，即呈竖直方向640行且水平方向480列的矩阵阵列排布。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，当感光像素单元221位于感光像素单元211左右两侧时，其行数可以与感光像素单元211的行数相等，当列数可以较少；反之，当感光像素单元221位于感光像素单元211上下两侧时，其列数可以与感光像素单元211的列数相等，当行数较少。并且，感光像素单元211和感光像素单元221相互之间的总数量没有关系。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，载流子抽离区230上的电极234个数也不作限定，可以为一个、两个或者是三个以上。

本实施例所提供的图像传感器200中，在有效像素区210和参考像素区220之间设置载流子抽离区230，载流子抽离区230具有不同于第一导电类型区域201导电类型的第二导电类型阱231和与第二导电类型阱231连接的电极234，因此，当电子202202从感光像素单元211的光电二极管中漏出，进入到第一导电类型区域201中时，可通过向电极234施加第一电压，从而升高第二导电类型阱231的电势，使电子202进入第二导电类型阱231，并且进一步从电极234处将电子202抽离，从而防止电子202进入参考像素区220，在抽离电子202之后，再采集参考像素区220的信号用于背光校准，此时得到的信号准确，因此保证了后续背光校准准确，从而使图像传感器200最终得到高质量的图像信息。

请参见图3、图4，需要说明的是，本发明的实施例中，直接于衬底101上形成第一导电类型区域并形成位于其中的光电二极管，在其它实施例中，可于衬底上通过薄膜工艺形成外延层，并进行掺杂工艺形成所需的导电类型区域后进一步形成第一导电类型区域。

本发明实施例还提供了一种图像传感器的背光校准方法。

本实施例提供的背光校准方法运用于上述实施例所提供的图像传感器200。所述背光校准方法具体包括步骤S1至步骤S3，请参考图5。

请参考图5，执行步骤S1，提供图像传感器200。本实施例中，图像传感器200为上述实施例所提供，因此图像传感器200包括有效像素区210、参考像素区220和载流子抽离区230，参考像素区220位于有效像素区210的至少其中一侧，载流子抽离区230对应位于的有效像素区210与参考像素区220之间。更多图像传感器200的详细结构和性质可参考上述实施例相应内容。

请继续参考图5，执行步骤S2，通过载流子抽离区230抽离有效像素区210扩散于周边的载流子。

本实施例中，通过抽离有效像素区210扩散于周边的载流子，致使参考像素区220不受的载流子的干扰。有效像素区210扩散于周边的载流子即从感光像素单元211中漏出的电子202。

本实施例中，具体可以通过提供第一电压于电极234，从而使有效像素区210扩散于周边的载流子从载流子抽离区230被抽离。由于本实施例中，有效像素区210可以具有第二导电类型区，第二导电类型区包括有第二导电类型阱231和形成于所述第二导电类型阱231内的第二导电类型重掺杂部232，电极234连接形成于所述第二导电类型重掺杂部232上。因此，当施加第一电压时，整个载流子抽离区230的电势升高，有效像素区210扩散于周边的载流子（即电子202）会在电势差的作用下，流入第二导电类型阱231，并继续沿着电势差的方向流入第二导电类型重掺杂部232，最终被电极234抽离。因此，在经过抽离之后，参考像素区220不受到载流子的干扰。

本实施例中，施加于电极234的第一电压可以控制在2.2V至2.8V，一方面，如果第一电压低于2.2V，载流子抽离区230无法快速和完全地抽离从感光像素单元211泄漏到第一导电类型区域201中的电子202，另一方面，通常晶体管的工作电压多为2.8V，因此，控制第一电压在2.8V以下时，可以通过相应的晶体管对电极234施加电压，无需进行其它升压操作，方便运用于各种电路结构中。

本实施例中，当图像传感器200存在第二导电类型深阱233时，有效像素区210扩散于周边的载流子（即电子202）也可能先进入到第二导电类型深阱233，再从第二导电类型深阱233迁移到第二导电类型阱231，并继续迁移到第二导电类型重掺杂部232，直至被从电极234处抽离。第二导电类型深阱233的存在，可以在更加广泛的范围内防止载流子干扰参考像素区220。

请继续参考图5，执行步骤S3，分别采集有效像素区210的图像输出信号与参考像素区220的参考输出信号实现背光校准。图像输出信号与参考输出信号为分别通过相关双采样（Correlated Double Sampling）得到的数字信号。

本实施例中，在抽离有效像素区210扩散于周边的载流子之后，执行采集有效像素区210的图像输出信号的操作，与此同时，采集同一时刻参考像素区220的参考输出信号，然后就可以实施背光校准。

具体的，本实施例可以对图像输出信号与参考输出信号进行做差实现背光校准。例如可以一次读出图3中整个行（参考像素区220内）感光像素单元221的图像输出信号，这些信号短路在一起，据此求出每个感光像素单元221的信号平均值，以此平均值作为当前帧参考像素区220的图像输出信号。再以当前帧有效像素区210的图像输出信号（即每个感光像素单元211的图像输出信号）进行逐帧减法，当前帧有效像素区210的图像输出信号减去当前帧参考像素区220的图像输出信号，以移除黑色背光信息读出的信号偏移，从而仅留下有效的目标图像信息，最终得到高质量的图像。并且采用这种做差实现背光校准整个操作过程简单，操作时间短，更加容易与图像传感器200的其它工作流程配合。

本实施例中，所述背光校准方法在图像传感器200每一次进行目标图像信息采集之前执行，从而保证所获得的目标图像信息准确，保证每次获得的图像都保持较高质量。

需要说明的是，除了采用图像输出信号与参考输出信号进行做差实现背光校准之外，本发明的其它实施例中，可以采用其它方法实现背光校准，本发明对此不作限定。

本实施例所提供的图像传感器的背光校准方法中，由于所提供的图像传感器200中，具有位于有效像素区210和参考像素区220之间的载流子抽离区230，因此所述背光校准方法先通过载流子抽离区230抽离有效像素区210扩散于周边的载流子，从而防止载流子干扰参考像素区220，然后再采集有效像素区210的图像输出信号与参考像素区220的参考输出信号实现背光校准，从而使背光校准得到的图像信号准确，提高图像传感器200所获得的图像的质量。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种图像传感器的背光校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供图像传感器，所述图像传感器包括有效像素区、位于有效像素区外的参考像素区及对应位于所述有效像素区与所述参考像素区之间的载流子抽离区；

通过所述载流子抽离区抽离所述有效像素区扩散于周边的载流子，致使参考像素区不受所述载流子的干扰；

分别采集所述有效像素区的图像输出信号与所述参考像素区的参考输出信号实现背光校准。

2.根据权利要求1所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于：

所述有效像素区包括多个感光像素单元；每个感光像素单元包括位于第一导电类型区域内的光电二极管；

所述载流子抽离区包括第二导电类型区和暴露于所述第二导电类型区外部的电极。

3.根据权利要求2所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于，所述背光校准方法还包括：提供第一电压于所述电极，并通过所述载流子抽离区抽离所述有效像素区扩散于周边的载流子。

4.根据权利要求2所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于，所述第二导电类型区包括：第二导电类型阱和形成于所述第二导电类型阱内的第二导电类型重掺杂部；所述电极连接形成于所述第二导电类型重掺杂部上。

5.根据权利要求4所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于，所述载流子抽离区还包括位于所述第二导电类型阱下部的第二导电类型深阱，所述第二导电类型深阱具有比所述第二导电类型阱更宽的形状范围。

6.根据权利要求1所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于：所述载流子抽离区位于所述有效像素区的每一侧外部。

7.根据权利要求2所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于：当所述第一导电类型为P型且第二导电类型为N型时，所述载流子为电子，所述第一电压为正电压，所述第一电压的值为2.2V至2.8V。

8.根据权利要求1所述的图像传感器的背光校准方法，其特征在于，对所述图像输出信号与所述参考输出信号进行做差实现背光校准。

9.一种图像传感器，其特征在于，包括：

有效像素区，具有多个感光像素单元；

参考像素区，位于所述有效像素区的至少一侧外部；

载流子抽离区，对应位于所述有效像素区与所述参考像素区之间。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：

所述有效像素区包括多个感光像素单元；每个感光像素单元包括位于第一导电类型区域内的光电二极管；

所述载流子抽离区包括第二导电类型区和暴露于所述第二导电类型区外部的电极。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于：所述第二导电类型区包括：第二导电类型阱和形成于所述第二导电类型阱内的第二导电类型重掺杂部；所述电极连接形成于所述第二导电类型重掺杂部外。

12.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于：所述载流子抽离区还包括位于所述第二导电类型阱下部的第二导电类型深阱，所述第二导电类型深阱具有比所述第二导电类型阱更宽的形状范围。

13.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：所述载流子抽离区位于所述有效像素区的每一侧外部。

14.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于：当所述第一导电类型为P型、第二导电类型为N型时；所述载流子为电子，所述第一电压为正电压；所述第一电压的值为2.2V至2.8V。

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