201的夹断电压Vpin变化大，所形成的横向电场大，因此光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度快，但是阱容量较小。
[0025]实施例二:
[0026]如图4所示，实施例二与实施例一相似，区别仅在于，实施例二中的N型埋层309呈扇形。
[0027]当曝光结束后，电荷传输晶体管3置于开启状态，钳位光电二极管301的夹断电压Vpin,从靠近电荷传输晶体管3 —侧向另一侧逐渐变小，从而形成一个从靠近电荷传输晶体管3 —侧到另一侧方向的横向电场，可加快光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度。实施例二中钳位光电二极管301的夹断电压Vpin变化略小于实施例一的，所形成的横向电场也略小于实施例一的，因此光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度也略慢于实施例一的。但在相同的感光面积下(即N型埋层209、309的面积相同)，实施例二中钳位光电二极管301的阱容量大于实施例一的。
[0028]实施例三:
[0029]如图5所示，实施例三与实施例一相似，区别仅在于，实施例三中的N型埋层409呈二角齿形。
[0030]当曝光结束后，电荷传输晶体管3置于开启状态，钳位光电二极管401的夹断电压Vpin，从靠近电荷传输晶体管3 —侧向另一侧按照一种阶梯的方式逐渐变小，从而形成一个从靠近电荷传输晶体管3 —侧到另一侧方向的横向电场，可加快光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度。实施例三中钳位光电二极管401的夹断电压Vpin变化略小于实施例一、二的，所形成的横向电场也略小于实施例一、二的，因此光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度也略慢于实施例一、二的。但在相同的感光面积下(即N型埋层209、309、409的面积相同)，实施例三钳位光电二极管401的阱容量大于实施例一、二的。
[0031]实施例四:
[0032]如图6所示，实施例四与实施例一相似，区别仅在于，实施例四中的N型埋层509
呈二角形。
[0033]当曝光结束后，电荷传输晶体管3置于开启状态，钳位光电二极管501的夹断电压Vpin,从靠近电荷传输晶体管3 —侧向另一侧逐渐变小，从而形成一个从靠近电荷传输晶体管3 —侧到另一侧方向的横向电场，可加快光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度。实施例四中钳位光电二极管501的夹断电压Vpin变化略小于实施例一、二和三的，所形成的横向电场也略小于实施例一、二和三的，因此光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度也略慢于实施例一、二和三的。但在相同的感光面积下(即N型埋层209、309、409、509的面积相同)，实施例四钳位光电二极管501的阱容量大于实施例一、二和三的。
[0034]实施例五:
[0035]如图7所示，实施例五与实施例一相似，区别仅在于，实施例五中的N型埋层609呈梯形。
[0036]当曝光结束后，电荷传输晶体管3置于开启状态，钳位光电二极管601的夹断电压Vpin,从靠近电荷传输晶体管603 —侧向另一侧逐渐变小，从而形成一个从靠近电荷传输晶体管3 —侧到另一侧方向的横向电场，可加快光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度。实施例五中钳位光电二极管601的夹断电压Vpin变化略小于实施例一、二、三和四的，所形成的横向电场也略小于实施例一、二、三和四的，因此光生电荷向浮空扩散节点2的转移速度也略慢于实施例一、二、三和四的。但在相同的感光面积下(即N型埋层209、309、409、509、609的面积相同)，实施例五钳位光电二极管601的阱容量大于实施例一、二、三和四的。
[0037]本发明五种实施例提供的高速CMOS图像传感器像素和现有技术的CMOS图像传感器像素，进行电荷转移时的势阱对比示意图，如图8所示，包括钳位光电二极管701、N型埋层709、P型重掺杂钳位层708、电荷传输晶体管3和浮空扩散节点2，势阱对比图包括喇叭形钳位光电二极管的势阱711、扇形钳位光电二极管的势阱712、三角齿形钳位光电二极管的势阱713、三角形钳位光电二极管的势阱714、梯形钳位光电二极管的势阱715和现有钳位光电二极管的势阱716。当曝光结束后，电荷传输晶体管3开启，积累在钳位光电二极管701中的光生电荷向浮空扩散节点2转移。钳位光电二极管701的势阱倾斜度从大到小，依次是711、712、713、714、715、716，所形成的横向电场从大到小依次是711、712、713、714、715,716,因此光生电荷的转移速度从大到小依次是711、712、713、714、715、716。充分说明了本发明的高速CMOS图像传感器像素可加快光生电荷的转移速度，提高电荷的转移效率，在提高图像传感器帧频的基础上，又可以消除图像拖尾的影响，优化图像质量。但是在相同感光面积下(即N型埋层709的面积相同)，钳位光电二极管701的阱容量从大到小依次是716、715、714、713、712、711，所以在实际设计中需对传输速度和阱容量进行折中考虑。
[0038]本发明的钳位光电二极管的N型埋层的宽度从靠近电荷传输晶体管一侧向另一侧逐渐变窄，形成如喇叭形、扇形、三角齿形、三角形或梯形等形状，当曝光结束后，电荷传输晶体管工作时，钳位光电二极管的夹断电压Vpin，从靠近电荷传输晶体管一侧向另一侧逐渐变小，从而形成一个从靠近电荷传输晶体管一侧到另一侧方向的横向电场，可加快光生电荷向浮空扩散节点的转移速度，并且可以把光生电荷完全转移到浮空扩散节点中，因此可以提高电荷的转移效率，消除图像拖尾的影响。P型重掺杂钳位层覆盖住N型埋层直接与P型杂质衬底相连，其作用是隔离界面态，阻止界面态捕获光生电荷，并提高对蓝光波段的响应。本发明的高速钳位光电二极管，不需要附加的光刻板和离子注入，实现简单，在大尺寸的像素中同样适用。
[0039]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种高速CMOS图像传感器，包括钳位光电二极管、浮空扩散节点、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管；复位晶体管和源跟随晶体管的漏极分别与电源电压相连，所述源跟随晶体管的源极与行选择晶体管的漏极相连，所述行选择晶体管的源极接输出列总线，所述复位晶体管的源极和源跟随晶体管的栅极分别经浮空扩散节点、电荷传输晶体管与钳位光电二极管相连，所述钳位光电二极管包括P型杂质衬底、P型重掺杂钳位层和N型埋层，所述P型杂质衬底内从上至下依次设有P型重掺杂钳位层和N型埋层，其特征在于，所述N型埋层的宽度从靠近电荷传输晶体管一侧向另一侧逐渐变窄，所述P型重掺杂钳位层覆盖住所述N型埋层并直接与P型杂质衬底相连。
2.如权利要求1所述的高速CMOS图像传感器，其特征在于，所述N型埋层呈喇叭形、扇形、三角齿形、三角形或梯形。
3.如权利要求1所述的高速CMOS图像传感器，其特征在于，所述P型重掺杂钳位层至少覆盖所述N型埋层0.2-0.5 μ m。
4.如权利要求1所述的高速CMOS图像传感器，其特征在于，所述P型重掺杂钳位层为结深在10nm内的浅结。
5.如权利要求1至4任一项所述的高速CMOS图像传感器，其特征在于，所述电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管为N型晶体管。
【专利摘要】本发明公开了一种高速CMOS图像传感器，它包括钳位光电二极管、浮空扩散节点、电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管；复位晶体管和源跟随晶体管的漏极都与电源电压相连，所述源跟随晶体管的源极与行选择晶体管的漏极相连，所述行选择晶体管的源极接输出列总线，所述复位晶体管的源极和源跟随晶体管的栅极分别经浮空扩散节点、电荷传输晶体管与钳位光电二极管相连，所述钳位光电二极管包括P型杂质衬底、P型重掺杂钳位层和N型埋层，所述P型杂质衬底内从上至下依次设有P型重掺杂钳位层和N型埋层，所述N型埋层的宽度从靠近电荷传输晶体管一侧向另一侧逐渐变窄，所述P型重掺杂钳位层覆盖住N型埋层并直接与P型杂质衬底相连。
【IPC分类】H04N5-374, H01L27-146
【公开号】CN104835825
【申请号】CN201510217404
【发明人】金湘亮, 刘维辉
【申请人】湘潭大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月30日