一种可消除SMEAR效应的带快门CCD像元结构的制作方法

技术领域

本发明涉及CCD结构设计领域，尤其涉及一种可消除SMEAR效应的带快门CCD像元结构。

背景技术：

电子快门在图像传感器中有着重要的作用，其在高速摄影、距离选通三维成像、自适应光学、航空摄影、天文摄影方面有着广泛的应用。

1.CCD分类

CCD根据电荷转移方式，可分为帧转移CCD（FTCCD）和行间转移CCD（ITCCD），以及帧行间转移CCD（FITCCD）。其中帧转移CCD因像元填充比高（100%）、易于大面阵、动态范围大等优点被广泛使用。

从结构上看，FTCCD由上、下两部分组成，上半部分是由阵列像素组成的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。一个典型的全帧转移CCD的工作示意图如图1。

2. SMEAR效应

因电荷转移是逐行从感光区转移到存储区，因此在帧转移的过程中感光区继续曝光，使各行像元在其他行的位置进行不需要的积分导致的。因此当感光时间和转移时间接近或成像区内存在特别亮的目标时，非常会产生垂直拖影，这种现象被称为SMEAR（弥散）效应，SMEAR效应会严重影响成像质量。

发生SMEAR比较典型的场景为高速摄影和大口径的大面阵天文摄影，高速摄影的积分时间非常短，转移时间相比积分时间非常可观，无效的污染电荷相对积分的有效电荷就非常可观，影响严重。大面阵天文摄影时，因为面阵巨大，尽管积分时间长，但转移的时间随着面阵的增加而急剧增加，造成污染电荷积累较大，严重影响图像质量。

显然从SMEAR效应的产生，完全因为电荷转移过程中，光敏元仍在不断的发生的光电效应，在不断将额外光子转换为电子，从而“污染”了正常转移的信号电荷。

在CCD或CCD相机中要实现快门，一般的技术方法有电子快门、机械快门等方式。

采用电子快门，主要通过特别设计的CCD外围驱动电路，改变CCD的积分控制，在非积分时间，通过快速泄放电荷的方式，将额外电荷泄放掉，从而实现高速快门。

采用机械混合式快门，主要通过增加机械结构（或者机电混合式结构），通过阻断式的机械结构切断（阻断）光路到CCD光敏面的通道，从而控制光线在光敏面的积分时间，实现高速快门和消除SMEAR效应。

采用上述技术途径的专利主要有：

申请号为201410797057.9（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）的专利：采用改变控制帧转移时钟信号，通过连续多次的“帧转移－读出复位”操作可以保证彻底清空成像区和存储区，不会有电荷残留到读出的图像里。虽然可以对没有电荷倾倒功能的普通帧转移CCD实现短曝光功能，但无法阻断光电效应的发生，无法解决当有用电荷转移时额外光电效应产生的电荷污染，无法实现抗SMEAR效应，属于常见的电子快门技术。

授权公告号CN 203632767 U（深圳市朗驰欣创科技有限公司）的专利：该实用新型专利属于CCD相机领域，提供了一种CCD电子快门生成电路和CCD相机。在本实用新型中，CCD电子快门生成电路根据CCD曝光时间和预设条件选择模拟前端或FPGA作为电子快门源，使用灵活，解决了现有CCD相机采用模拟前端作为电子快门源配置延时大、不灵活且不具备故障发生时自我保护功能的问题。虽然采用FPGA控制驱动时序更加灵活，应用更加广泛，但本质上和上述的电子快门技术无差别，无法实现抗SMEAR效应。

申请号201110262428.X（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）的专利：它解决现有帧转移面阵CCD无法实现或需使用机械快门才能实现曝光时间小于帧读出时间的问题，其通过改变感光区的两次帧转移间隔来控制曝光时间，不需机械快门，也不需对原硬件电路进行修改，可实现曝光时间微秒级精细控制。和上述专利无本质区别，无法实现抗SMEAR效应。

公开号CN 101377604A（北京空间机电研究所）的专利：应用在面阵CCD相机，通过转动快盘、慢盘、码盘，二快盘和慢盘上分别留有不同大小的扇形开口，当快盘和慢盘的扇形开口同时经过光路时，CCD处于曝光状态；当快盘和慢盘的扇形开口不同时进入光路时，CCD不被曝光，可以清除或读取CCD中的电荷。从而实现电子快门，这种方式下快门的调节迅速准确，但时间较为固定（快盘和慢盘的形状决定），且为机械式结构，快门时间受限，且结构和驱动复杂，对现有相机的外形和结构改动较大。

公开号CN201310549759.0（中国科学院紫金山天文台）的专利：采用在快门布的中心位置上设曝光窗口，快门布的两端分别卷设在两个快门滚轴上，两个快门滚轴上分别联接有快门电机，来控制快门的打开和关闭。该发明具有反应速度快、档光少、机械强度高、快门通光口径可以做的比较大、快门曝光时，无SMEAR效应且不易疲劳等优点。但仍然是从相机上解决，采用的机械结构，仍然存在寿命和速度等问题。

授权公告号CN 205249332 U（中国科学院紫金山天文台）的专利：采用液晶光阀替代传统的机械快门，其整体结构设计合理实用，构思巧妙新颖，安装简单方便，成本很低，通过调节可以有效控制通光量，起到快门的作用。本实用新型快门寿命大大延长，能够达到传统快门寿命的数十倍以上。但液晶光阀导通时透过率一般为95%，关断为5%左右，通断不能做到完全，且液晶的开关速度较低，不能适应特别高速的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可消除SMEAR效应的带快门CCD像元结构设计方法，可实现在CCD像元上集成快门。本发明，在CCD像元结构上进行改进，在传统的像元收集区前方（针对背照式的方向而言）增加阻断层，经过改造后，通过对像元的偏压进行控制，从而实现对光敏区的压缩和阻断，使得在像元上就可以实现光电阻断，实现快门的功能，同时本设计在像元级别，且通过电控制方式，改变像元控制偏压的速度极快，可到微秒以下级别，具备非常高的开关速度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可消除SMEAR效应的带快门CCD像元结构，包括高阻P型衬底和在高阻P型衬底正面形成的像元控制栅和光敏区电荷转移控制栅，像元控制栅加电压时在栅下形成耗尽区，其特征是，在高阻P型衬底中设置一P型埋层；在光敏区电荷转移控制栅下设置N+注入区。

所述P型埋层为透明层。

当将像元控制栅电压降低到12V以下，将光敏区电荷转移控制栅加压到25V以上时，耗尽区扩大，朝像元中心和像元下方的入射窗口扩展，受P型埋层的阻拦，耗尽区不断向中心区域挤压，阻断光生电荷向像元下耗尽区的移动，实现快门关闭功能。

当像元控制栅电压在15V～20V，光敏区电荷转移控制栅电压为2V～4V时， P型埋层不阻挡光子从P型衬底背面入射。

本发明所达到的有益效果：

1、在像元上实现，无需额外在相机上增加任何附加机械装置，由这样的CCD组成的带快门功能的相机结构简单。

2、因为耗尽区的形成是在电极加压的瞬间形成，因此此开关的速度非常快，可以到微秒级别。

3、此快门在打开时，无任何附加影响电荷时间，导通为100%，而关闭时，因为强的耗尽区阻拦（漏下电极产生的），可100%关闭。

4、快门可完全关闭，阻断电荷收集区，消除SMEAR效应。

5、与现有工艺兼容，成本低，实用性强。

附图说明

图1为全帧转移CCD的工作示意图。

图2a、图2b为CCD像元剖面和工作示意图。

图3为带快门结构的CCD像元。

图4为带快门的像元结构快门打开时的工作示意图。

图5为带快门的像元结构快门关闭时的工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

1、无快门设计的CCD的像元结构剖面图如图2a、图2b：从图中可以看出CCD工作时，像元控制栅电压V_IA加高压，在栅下形成耗尽区，此时光子从背面入射，发生光电效应产生的电子被收集到光敏区（耗尽区），产生的电子数量对应外部入射光强弱，于是能产生图像。

在CCD工作时，因为没有快门，无法阻断入射光到耗尽区的路径，因此不管栅压如何，光电转化一直发生，光生电子不断产生，因此也就会在电荷转移过程中形成SMEAR效应。

2、本发明的增加快门设计的CCD的像元结构剖面图如图3：

在原有的CCD像元结构上，增加以下设计：1、在原来高阻P衬底1中增加一个P埋层2；2、在原来的光敏区电荷转移控制栅，增加N+注入3和电极控制；

在快门打开的时候，工作状态如下：

1）、如图4所示，当快门打开时，各电极控制与正常无快门一致，像元控制栅电压V_IA在18V，光敏区电荷转移控制栅电压V_SD为低电压3V左右，且因为P埋层为透明，并不影响光子入射，CCD此时工作与无快门保持一致。

2)、如图5所示，当快门关闭时，将像元控制栅电压V_IA降低到12V以下，将光敏区电荷转移控制栅控制加压到25V以上，此时像元漏下的耗尽区扩大，并且两侧的耗尽区在扩大时，会朝像元中心和像元下方的入射窗口扩展，但由于有P埋层的阻拦，耗尽区无法突破，此时耗尽区会不断向中心区域挤压，于是会阻断光生电荷向像元下耗尽区的移动，从而完全阻断了光生电荷到光敏区的收集，实现了快门关闭功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。