專利名稱：具有可調濾色鏡的彩色圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及圖像傳感器，更為具體地說，涉及具有浮動 柵極設備的可調彩色圖像傳感器結構。
背景技術：
當前，廣泛使用基于半導體的圖像傳感器，特別是在數字相機中。 這些相機作為單機設備，或者集成在其它多用電氣設備中而存在，該其它多用電氣設備如移動電話或個人數字助理(PDA)。市場繼續推動改進圖像捕獲。這些改進不僅包括捕獲圖像的質量， 例如改進的色彩精度及解析度，還包括最低的可能成本和最小的尺寸。使用基于半導體的圖像傳感器在相機中捕獲色彩信息的一般方法 是使用交替的紅、綠及藍色像素的馬賽克，例如bayer圖形。通過由例 如聚酰亞胺的材料制成的相應的紅、綠、或藍色光濾膜過濾接近到達 像素的光。然而，該方法引發了多個問題。首先，現有的RGB濾光器 非常削弱光。通常，綠光和紅光濾光器具有低于40%的透射率，藍光 濾光器具有低于25%的透射率。該透射的光中的減少導致了傳感器陣 列的靈敏度的顯著降低。其次，通常使用的膜濾光器具有相當的頻譜 交迭。例如，紅光濾光器允許某些綠光通過，綠光濾光器允許某些紅 光及藍光通過，藍光濾光器允許某些綠光和紅光通過。這使得難以確 定圖像的實際顏色。第三，通常使用例如bayer圖形的像素的馬賽克來 確定顏色，降低了給定陣列的可能的空間解析度。惡化的量取決于光 照條件，但對于高解析度系統可接近75%。例如，在1001p/mm上具有 0.7模塊傳輸功能(MTF)值的鏡頭僅可為具有bayer馬賽克半導體圖 像傳感器的模塊在251p/mm提供0.7 MTF。另一己知的捕獲色彩信息的方法包括Foveon傳感器。通過該 Foveon設計，通過選擇吸收通過傳感器半導體襯底的光來實現色彩過 濾。類似于使用彩色膜的系統，Foveon類型的系統在不同的彩色傳感 器間仍有相當的彩色頻譜交迭，因此該系統難以確定真實的色彩。例 如，來自藍色傳感器的信號在陽光條件下具有大約35%的綠光成分和 10%的紅光成分。由于在不同的光照條件下，例如辦公室光與日光， 來自每種色彩的成分會變換，這一問題則進一步加劇。公開號為2005/0099373Al的美國專利申請中公開了一種可應用于 成像器的用于色彩過濾的另一已知方法。該方法使用現有的被動色彩， 其包括至少四個膽甾型濾光器以及三個液晶開關及相關的減速器層的 圓型極化選擇性反射帶。由于該濾光器僅以該極化光工作，因而其不 適合用于戶外及大多數的室內攝影中使用的相機，因為日光及大多數 人造光源產生非極化光。因而，期望提供一種新的彩色圖像傳感器系統。該系統使用液晶 顯示(LCD)濾光器的可調堆棧，該液晶顯示濾光器用于向傳感器陣 列傳遞光的不同顏色的序列。該系統還使用優化來存儲連續光信息的 傳感器陣列。此外，通過隨后本公開的詳細說明及附加的權利要求， 結合附圖及背景，本發明的其它可期望的特征及特點將變得明顯。
下文結合以下的附圖描述本公開，其中同一數字表示相同的元件，及圖1是圖像獲取電路的示例性實施例的系統結構圖； 圖2是第一示例性實施例使用的色彩可調濾光器的示意性片段局 部正視圖；圖3是第二示例性實施例使用的色彩可調濾光器的示意性片段局 部正視圖；圖4是改進的像素結構的示例性實施例的示例性示意圖；圖5用于圖4像素結構的示例性操作方法的時序圖；圖6是單片襯底中用于圖2的像素結構部件的示例性平面設計；及圖7和8示例了具有采用圖1所示的像素獲取電路的相機的示例 性移動電話。發明內容以下詳細說明僅是本質的示例，不期望限制本發明或應用及本公 開的使用。此外，不期望受到前述背景或以下詳細說明所體現的任何 原理的限制。圖1示例了一圖形獲取系統，通常如20所示，其使用包括多個像 素電路24的圖像傳感器陣列22。如圖所示，像素電路24被以多個行 和列布置為陣列22。如果希望，像素電路24的每一行可獨立尋址，且 可同時讀取來自激活的行的輸出信號。來自圖像源的電磁輻射26被通過鏡頭28及陣列覆蓋30引導到單 個像素電路24的感光部件上。后面描述了陣列覆蓋30的兩個不同的 實施例。在這兩種情況中，陣列用于向傳遞給傳感器陣列22的光提供 變換光濾光器的時間序列。同樣，在這兩種情況中，可利用膽甾型液 晶濾光器。膽甾型液晶濾光器能夠比更通常使用的膜型濾色鏡具有更 好的光透射性及更精確的色彩濾波。行選擇電路32用于激活圖像陣列22的給定行中的像素電路24的 讀出。來自激活行中的像素電路24的輸出信號被提供給列讀取電路34。 可以任何數目的不同方式構造列讀取電路34。例如，列讀取電路34可 包括單一相關雙倍采樣(CDS)電路，其在通過行選擇電路32選擇陣 列的單個行時，選擇性地讀取陣列22的單獨列。在可選的示例性實施 例中，可使用多個CDS電路，從而各個CDS電路可同時讀取陣列22的每個列(或甚至比所有列更少)。在其它示例性實施例中，可使用 在單個讀取周期期間提供從每個像素電路24單一讀出的電路，從而不需要CDS電路。優選地，來自像素電路24的模擬信號由列讀取電路 34轉換為數字格式，其然后通過幀獲取器36安排為圖像幀。用于系統 20執行的各種工作的時序優選地由時鐘及時序發生器電路38等調整。 幀獲取器36自身可執行多個圖像處理程序(即圖像壓縮、增強等)， 或者通過一個或多個進一步的系統在輸出40處理提供圖像數據。參考圖2，陣列覆蓋30的第一實施例包括兩個膽甾型液晶濾光器 42、 44。構造濾光器42、 44，從而一個通過左旋極化光，另一個通過 右旋極化光。光反射或阻滯的效果依賴于多個膽甾型液晶參數，例如 膽甾型液晶的厚度及折射率。理論上，該左和右組合根據波長阻滯落 入膽甾型液晶發射帶內的所有入射光。但是，事實上，可能存在某些 少量的泄漏，且需要結合下面的感光半導體層優化膽甾型液晶，從而 實現全部的性能水平需求。濾光器42、 44每一個包括平行的第一和第 二壁52、 54。第一壁52和第二壁54是透明的，從而允許調制光進入 濾光器42、 44。濾光器42的第二壁54及濾光器44的第一壁52可包 括單一壁。膽甾型液晶56被設置在第一和第二壁52、 54之間。膽甾型液晶 56優選地是在第一頻率范圍上具有第一標記的介電各向異性及在第二 頻率范圍上具有第二標記的介電各向異性的雙頻液晶材料。介電各向 異性是在平行于構成膽甾型液晶的延長分子軸測量到的相對介電常數 和在垂直于該分子軸測量到的相關相對介電常數之間的差值。在面對膽甾型液晶56的第一壁52上支持對準層58。該對準層58 優選地包括摩擦聚合體，例如聚酰亞胺，并使得膽甾型液晶56將其和 垂直于對準層58和第一壁52的螺旋軸60對準。在第二壁54上隔開的關系中支持第一和第二電極62、 64。第一和第二電極62、 64如所示基本上是共面的，但每一個包括如美國專利號 6,630,982中所示的多個互相交叉的指針。可在面對膽甾型液晶56的第二壁54上使用第二對準層66，且其 覆蓋第一和第二電極62、 64。該第二對準層66優選地是聚合體，更優 選地是聚酰胺，其促進了上述膽甾型液晶56的對準，其中螺旋軸60 垂直于對準層58和第一壁52。當關閉開關72時，驅動信號源70被耦合到第一和第二電極62、 64。當開關打開時(如圖所示)，以已知的代表膽甾型液晶的螺旋結 構布置膽甾型液晶56。當來自驅動信號源70的信號改變時，膽甾型液 晶56的分子根據電子場方向旋轉，該分子旋轉導致反射波長從較短的 波長轉變到較長的波長。根據色彩，其對應于色彩在可見范圍內從藍 轉變到紅。美國專利號6,630,982中還描述了亮度控制。這可通過雙頻 驅動方案和時分方法實現。圖3表示了具有夾在電極62、 64間的膽甾型液晶的不同類型的液 晶濾光器48、 49、 50、 51。在該設計中，濾光器反射頻譜是固定的， 不同于類似于圖2所示設計的電壓及頻率可調。當通電時，液晶57將 反射由其螺旋結構樹脂確定的頻譜中的光。因此，需要兩個濾光器來 反射紅光，需要兩個濾光器來發射藍光。需要順序排列的總共四個濾 光器48、 49、 50、 51來實現未極化的濾色鏡功能。因此，陣列覆蓋30可選地可包括優選地結構類似的第一到第四膽 甾型液晶濾光器48、 49、 50、 51。濾光器48、 49、 50、 51的每一個包 括平行的第一和第二壁52、 54。第一壁52和第二壁54是透明的，從 而允許調制的光進入濾光器48、 49、 50、 51。濾光器48、 49、 50、 51的鄰接的壁可包括單一的壁。參考圖4，表示了適合于在圖像獲取系統20的圖像陣列22中使用的像素電路或控制電路24的示例性實施例。在該示例性實施例中，每 個像素電路包括三個存儲設備及一個光電二極管。該光電二極管通過 改變陣列覆蓋的設定順序對三種不同顏色的光曝光。在過濾之后，三 個存儲設備的每一個為每個不同的濾色鏡設定記錄在該光電二極管上 接收到的光量。但是，應當理解，可使用從一到更高數目的任何數目 的存儲設備。在一個存儲設備的情況下，存儲設備可通過對于各個顏色的陣列覆蓋30的每一個調節為電磁輻射而進行感應、存儲并被讀取。對于所示的示例性實施例，像素電路24包括第一、第二、和第三 浮動柵極半導體器件80、 82、 84，感光半導體器件86和像素控制電路 88。盡管表示了浮動柵極半導體器件，應當理解，可使用任何類型的 晶體管。浮動柵極半導體80包括漏極90、源極92、控制柵極94和浮 動柵極96。浮動柵極半導體器件82包括漏極100、源極102、控制柵 極104和浮動柵極106。浮動柵極半導體器件84包括漏極110、源極 112、控制柵極114和浮動柵極116。在所示例的示例性實施例中，感 光半導體器件86可以是釘住的光電二極管，其定位以對來自待檢測的 圖像的電磁輻射曝光。所示例的實施例的光電二極管86包括陽極118 和陰極120。連接像素控制電路88，以引導半導體器件80、 82、 84及光電二極 管86的浮動柵極到多個受控模式。這些受控模式至少包括擦除模式及 曝光模式，并可包括讀取模式及數據保持模式。在擦除模式中，從浮 動柵極96、 106、 116除去電荷的至少一部分。在擦除模式中光電二極 管86兩端的電壓還可被升高。在這種方式中，浮動柵極半導體器件80、 82、 84及光電二極管86可處于初始狀態。在曝光模式中，響應于感光半導體器件86的終端上的電壓，浮動 柵極96、 106、 116被至少部分充電。在所示例的示例性實施例中，響 應于在光電二極管86的陽極118的電壓，浮動柵極96、 106、 116被 至少部分充電。在陽極118的電壓取決于光電二極管86對來自圖像源的電磁輻射的曝光的程度。更具體地，會存在對應于電磁輻射曝光的光電二極管86兩端的電壓下降。光電二極管86經歷的曝光越大，光 電二極管86兩端發生的電壓降越大，從而減小了在控制柵極94、 104、 114的電壓。像素控制電路88還可引導光電二極管86和浮動柵極半導體器件 80、 82、 84到數據保持模式。在數據保持模式中，在曝光模式期間獲 得的浮動柵極96、 106、 116上的電荷被保持。特別是，浮動柵極96、 106、116上的電荷通常保持恒定，即使光電二極管86兩端的壓降變化。 例如， 一旦在曝光模式期間浮動柵極96、 106、 116已經被充電，則浮 動柵極96、 106、 116上的電荷可被幾乎無限期地保持，即使光電二極 管86繼續對來自圖像源的電磁輻射曝光。像素控制電路88還可引導光電二極管86及浮動柵極半導體器件 80、 82、 84到讀取模式，以有效地感應曝光模式期間位于浮動柵極96、 106、 116上的電荷。在所示例的示例性實施例中，浮動柵極96、 106、 116上的電荷改變了浮動柵極半導體器件80、 82、 84的閾值電壓VT。 從而，可分別在控制柵極94、 104、 114和源92、 102、 112之間提供 預定電壓Vcs，從而在漏極90和源極92之間產生對應于浮動柵極96 上電荷的電流122，在漏極100和源極102之間產生對應于浮動柵極 106上電荷的電流124，以及在漏極110和源極112之間產生對應于浮 動柵極116上電荷的電流126。如圖所示，像素控制電路88可包括晶體管開關130和二極管132。 晶體管開關130可以是場效應晶體管，例如具有漏極134、源極136和 控制柵極138的MOSFET等。控制柵極138被連接以從，例如圖1的 行選擇電路32接收行讀取信號。MOSFET 130的漏極134和源極136 被分別連接到光電二極管86的陰極120和陽極118。 二極管132包括 連接到節點142的陽極140，該節點142包括MOSFET 130的源極136 和浮動柵極半導體器件80、 82、 84的控制柵極94、 104、 114。 二極管132還包括被連接以接收復位/擦除信號的陰極144。用于產生在漏極 134、漏極110和源極112的工作電壓電平的各個部件沒有示例，但是 也在本領域技術人員的設計能力之內，在此闡述給出的各種受控模式 的詳細說明。現在將解釋上述的各個工作模式。用于在這些模式中工作的示例 性電壓電平被標識。但是，應當承認，在各個模式中操作像素結構22 所需的特定電壓電平將取決于使用的單獨設備的特征。在擦除工作模式中，漏極134、 122、 124、 126以及源極92、 102、 112被驅動到+ 8V，而在柵極138的行讀取信號及在陰極144的復位/ 擦除信號被驅動到-8V。這將使浮動柵極半導體80、 82、 84及MOSFET 130處于非導電狀態，從而電流122、 124、 126及電流146幾乎為零。 二極管132被前向偏置以為浮動柵極96、 106、 116放電。產生的放電 電流的至少一部分被引導給陽極140。此外，光電二極管86被充電到 具有大約15.2VDC壓降的初始狀態。在曝光工作模式中，漏極90、 100、 110及陰極144與可調濾色鏡 同步地被順序驅動到+ 8V，而在柵極138及源92、 102、 112的行讀取 信號被驅動到0V。這將MOSFET 130和二極管132置于非導通狀態， 因而電路146和148幾乎為0。此外，在漏極134和陰極120的電壓電 平被提升到12V的"編程電壓"。光電二極管86對電磁輻射26曝光， 該電磁輻射26引發陰極120和陽極118之間初始狀態電壓的相應下降。 在控制柵極94、 104、 114的電壓反映該電壓下降，因此對應于在光電 二極管86檢測到的電磁輻射量。該控制柵極電壓之后又確定曝光模式 期間位于浮動柵極96、 106、 116的電荷量。在數據保持工作模式中，陰極144被驅動到+ 8V，而在柵極138 和源極92、 102、 112的行讀取信號被驅動到0V。這將MOSFET 130 和二極管132置于非導通狀態，從而電流146和148幾乎為零。光電二極管86的陰極120的電壓電平被減小到+ 8V，從而抑制了浮動柵極 96、 106、 116上進一步的電荷積累。漏極90、 100、 110是開放電路， 或者被連接到高阻抗負載以避免電流通過浮動柵極半導體器件80、 82、 84。電流122、 124、 126因此幾乎為零。在該狀態中，浮動柵極96、 106、 116上的電荷可在一延長的時間段內保持相對恒定。由于浮動柵 極96、 106、 116上的電荷可被保持在圖像陣列22的各個像素電路24 內，如果有強加在外圍電路上的圖像處理需求，則其可被釋放。如果 期望，可因此減小任何這種圖像處理外圍電路的成本及復雜度。在讀取工作模式中，漏極134、 90、 100、 110，柵極138和陰極 144被驅動到+ 8V，而源極92、 102、 112被驅動到0V。這將控制柵極 94、 104、 114分別關于源極92、 102、 112置于大約+ 8V的固定電壓。 如此，Vcs大約為+8V，通過像素輸出從像素選擇電路46選擇性進行 的電流122、 124、 126對應于浮動柵極96、 106、 116上的電荷。電流 122、 124、 126轉換為合適的數字信號可發生在列讀取電路34中，這 可通過本領域普通技術人員知道的任何數目的不同方式實現。獲取圖像傳感器信息的步驟序列包括傳感器陣列及陣列覆蓋的控 制，如以下描述的圖5所示例的。注意，該例子假設使用1)無濾光器 149的濾色鏡序列，從而傳感器看見的是白光，2)紅濾光器150的濾 色鏡序列，從而傳感器看見的是藍綠光，及3)藍濾光器151的濾色鏡 序列，從而傳感器看見的是黃光。通過濾光器設定的這個組合獲得的 信息可用于得到如下的RGB (紅綠藍)信息紅=白一藍綠綠=藍綠+黃一白藍二白一黃其它濾光器的組合是可接受的。 一種這樣的例子是l)無濾光器， 從而傳感器看見的是白光，2)藍濾光器，從而傳感器看見的是黃光， 及3)綠濾光器，從而傳感器看見的是紫光。通過濾光器設定的這個組合獲得的信息還可用于得到如下的RGB (紅綠藍)信息 紅=紫+黃一白 綠二白一紫 藍=白一黃步驟如下tl:光電二極管86及第一浮動柵極96被復位；t2:光電二極管86收集由于曝光產生的電荷，濾光器關閉，從而 全部的可見頻譜的光通過；t3:位線122升高以充電第一浮動柵極96，從而存儲白光曝光；t4:光電二極管86及第二浮動柵極106被復位；t5:光電二極管86收集由于曝光產生的電荷，紅色濾光器打開， 從而藍綠色光通過；t6:位線124升高以充電第二浮動柵極106，從而存儲藍綠色光曝光；t7:光電二極管86和第三浮動柵極116被復位； t8:光電二極管86收集由于曝光產生的電荷，藍色濾光器打開， 從而黃色光通過；t9:位線126升高以充電第三浮動柵極116,從而存儲黃色光曝光； tlO:光電二極管86被復位；tll:位線122連接到讀出電路，從而可讀取位線122上的阻抗； tl2:位線124連接到讀出電路，從而可讀取位線124上的阻抗；tl3:位線126連接到讀出電路，從而可讀取位線126上的阻抗。在單片襯底中容易地實現像素結構24。更具體地，可使用現有的 CMOS制造過程容易地制造像素結構24，從而形成圖l所示的圖像陣 列22。圖6中示例了用于單片襯底中像素結構24部件的示例性平面設 計。但應認識到，可使用其它設計。進一步，外圍部件的任何一個， 例如圖1的行選擇電路32、列讀取電路34、幀獲取器36及時鐘和時 序發生器38可同樣與圖像陣列22 —起集成在單片襯底中。由于像素結構24關于浮動柵極在半導體器件80、 82、 84的中央， 因而與通常使用的五個晶體管的像素結構相比，可使用更少的部件實 現包括實現全局復位功能必要部件的像素。在圖3所示的特定像素電 路結構24中，僅有四個晶體管80、 82、 84和130，單個的二極管132 與光電二極管86結合使用，從而實現了四個晶體管、 一個二極管的結 構。通過使用浮動柵極半導體器件82、 84、 86，可能通過與添加另外 的交換晶體管來實現相同操作相反地來操作提供給像素電路部件的電 壓電平，將像素電路24置于各種受控模式。用于實現像素電路24使用的部件數目的減小可用于實現任何數目 的不同目的。例如，可使用比可比較清晰度和感光度的五個晶體管設 計更少的襯底區域實現像素電路24。更小的襯底具有更小的制造成本， 并可實現更小的整體成像系統。可選地，在提供更大光電二極管時可 使用與五個晶體管相同大小的襯底實現像素設計。大光電二極管可實 現改進的低感光度和動態范圍。如在此所公開的，像素電路24可在曝 光模式期間使用更高的工作電壓，從而改進光電二極管86的性能。像素電路24還可被實現，使得讀取工作模式類似于現有的CMOS 圖像傳感器中使用的讀出方法。例如，每個像素電路24可被獨立尋址， 以實現現有CMOS傳感器中存在的相同的窗口及子采樣優勢，從而消 除了對于相應外圍讀出部件的實質性重設計的需要。進一步，浮動柵 極半導體器件80、 82、 84沒有電荷泄漏問題，它們沒有作為可見光照 明下結果的電荷重組合問題。因此，沒有與通常使用的五個晶體管的 CMOS結構相關聯的衰減問題。圖7和8表示了包括使用圖像獲取系統20的照相機的移動電話 152的一個實施例。如所示，電話152包括照相機系統154、鍵盤156、 控制鍵158和顯示器160。如以上注意的，圖像獲取系統20通過鏡頭 26接收來自圖像源的電磁輻射。所獲得的圖像可被提供給機載圖像處理系統162或直接提供給顯示器160 (即用于反光鏡功能等)。處理過 的圖像可被存儲在圖像存儲器164中，并被響應于用戶命令提供給顯 示器160。進一步，圖像存儲器164中的圖像可被讀出用于通過通信鏈 路166提供給個人電腦等。雖然在前面的詳細說明中已經呈現了至少一個示例性實施例，應 當認識到，存在大量數目的變化。還應當認識到，示例性的一個或多 個實施例僅作為例子，而不期望以任何方式限制本公開的范圍、性能 或配置。更確切地，前述詳細說明僅提供給了本領域技術人員傳統的 用于實現本公開示例性實施例的方法圖，應當理解，可在示例性實施 例中所述的功能和元件布置中，進行不超出如附加的權利要求所述的 本公開范圍的各種改變。
權利要求
1. 一種圖像傳感器，包括具有第一浮動柵極、第一控制柵極、第一漏極和第一源極的第一浮動柵極半導體器件；具有第二浮動柵極、第二控制柵極、第二漏極和第二源極的第二浮動柵極半導體器件；具有第三浮動柵極、第三控制柵極、第三漏極和第三源極的第三浮動柵極半導體器件；放置以用于對來自圖像的電磁輻射曝光的感光半導體器件；放置在所述感光半導體器件和所述電磁輻射之間的彩色可調濾光器；以及被連接以引導所述第一、第二和第三浮動柵極半導體器件和所述感光半導體器件到多個受控模式的像素控制電路，所述受控模式包括擦除模式，其中從所述第一、第二和第三浮動柵極去除至少部分電荷，從而分別將所述第一、第二和第三浮動柵極半導體器件置于初始狀態；以及曝光模式，其中在所述彩色可調濾光器允許所有期望的色彩組合通過時，響應于在所述感光半導體器件的終端的電壓，所述第一、第二和第三浮動柵極被至少部分地充電，同時被順序選擇，在所述終端的電壓對應于所述感光半導體器件對來自所述圖像的所述電磁輻射的曝光。
2. 如權利要求1的圖像傳感器，其中，所述受控模式進一步包括 數據保持模式，其中盡管所述感光半導體器件對來自所述圖像的所述 電磁輻射進一步曝光，在所述曝光模式期間所獲得的第一、第二和第 三浮動柵極上的電荷被保持在其上。
3. 如權利要求1的圖像傳感器，其中，所述彩色可調濾光器包括 調節來通過左旋極化電磁輻射的第一膽甾型液晶濾光器，和調節來通過右旋極化電磁輻射的第二膽甾型液晶濾光器。
4. 如權利要求1的圖像傳感器，其中，所述彩色可調濾光器包括 用于反射第一色彩的第一對膽甾型液晶濾光器，和用于反射第二色彩 的第二對膽甾型液晶濾光器。
5. 如權利要求2的圖像傳感器，其中，所述受控模式進一步包括讀取模式，其中所述第一源極和第一漏極之間、第二源極和第二漏極 之間、以及第三源極和第三漏極之間的電流被分別檢測為所述第一、 第二和第三浮動柵極上的電荷的指示器。
6. 如權利要求4的圖像傳感器，其中，所述感光半導體器件是具 有陰極和陽極的光電二極管。
7. 如權利要求6的圖像傳感器，其中，所述像素控制電路包括具有開關、第四控制柵極、連接到所述光電二極管的陰極的第四 漏極、以及連接到所述光電二極管的陽極的第四源極的場效應晶體管， 所述第四源極和所述光電二極管的陽極被進一步連接到所述第一、第二和第三控制柵極；以及具有連接到所述第一、第二和第三控制柵極的陽極的二極管。
8. 如權利要求7的圖像傳感器，其中，所述擦除模式包括場效應晶體管開關以及所述第一、第二和第三浮動柵極半導體器件處于非導 通狀態，所述光電二極管處于初始電壓狀態，以及所述第一、第二和第三浮動柵極通過所述二極管放電。
9. 如權利要求7的圖像傳感器，其中，所述曝光模式包括響應于 所述光電二極管陽極的電壓電平，所述場效應晶體管開關和所述二極 管的每一個處于非導通狀態，所述光電二極管的陰極被升高到曝光電 壓電平，以及所述浮動柵極半導體器件的第一、第二和第三漏極和所述第一、第二和第三源極在其兩端分別具有足以充電所述第一、第二 和第三浮動柵極的電壓。
10. 如權利要求7的圖像傳感器，其中，所述數據保持模式包括所述場效應晶體管開關以及所述二極管的每一個處于非導通狀態，所 述光電二極管的陰極處于保持電壓電平，所述第一、第二和第三源極 被有效地開路。
11. 如權利要求7的圖像傳感器，其中，所述讀取模式包括在所 述第一、第二和第三控制柵極的預定電壓以及所述第一、第二和第三 漏極與所述第一、第二和第三源極之間的電流，其分別指示在曝光模 式期間位于所述第一、第二和第三浮動柵極上的電荷。
12. —種具有形成在單片襯底上的多個像素的圖像傳感器，包括 所述多個像素中的一個或多個像素，其包括具有第一控制柵極、第一漏極和第一源極的第一半導體器件；具有第二控制柵極、第二漏極和第二源極的第二半導體器件； 具有第三控制柵極、第三漏極和第三源極的第三半導體器件； 放置以用于對來自圖像的電磁輻射曝光的光電二極管； 具有第四控制柵極、連接到所述光電二極管陰極的第四漏極、以及連接到所述光電二極管陽極的第四源極的場效應晶體管，所述場效 應晶體管的第四源極和光電二極管的陽極被進一步連接到所述第一、第二和第三控制柵極；具有連接到所述第一、第二和第三控制柵極的陽極的二極管；以及放置在所述感光半導體器件和電磁輻射之間的濾色鏡。
13. —種圖像傳感器，包括形成在單片襯底上的多個像素中的一個或多個像素，包括放置以用于對來自圖像的電磁輻射曝光的光電二極管；以及用于存儲順序的光信息的每像素的兩個或多個存儲器元件； 放置在所述感光半導體器件和所述電磁輻射之間的彩色可調濾光 器；以及控制電路，用于為所述彩色可調濾光器順序選擇三種狀態，并為 該三種狀態的每一種選擇兩個或多個存儲器元件，用于在電磁輻射已 經通過所述彩色可調濾光器之后由所述光電二極管獲取所述電磁輻 射。
14. 一種圖像傳感器，包括形成在單片襯底上的多個像素中的一個或多個，其每一個包括放置以用于對來自圖像的電磁輻射曝光的光電二極管；用于存儲順序的光信息的存儲元件；放置在感光半導體器件和電磁輻射之間的彩色可調濾光器；以及 控制電路，用于為所述彩色可調濾光器順序選擇三種狀態，并為 該三種狀態的每一種選擇存儲器元件，用于在電磁輻射已經通過所述 彩色可調濾光器之后由所述光電二極管獲取所述電磁輻射。
15. —種數字照相機，包括具有像素陣列的圖像傳感器，所述像素的一個或多個像素包括具有第一浮動柵極、第一控制柵極、第一漏極和第一源極的第一浮動柵極半導體器件；具有第二浮動柵極、第二控制柵極、第二漏極和第二源極的第二浮動柵極半導體器件；具有第三浮動柵極、第三控制柵極、第三漏極和第三源極的第三浮動柵極半導體器件；放置以用于對來自圖像的電磁輻射曝光的感光半導體器件； 被連接以引導所述第一、第二和第三浮動柵極半導體器件和所述感光半導體器件到多個受控模式的像素控制電路，所述多個受控模式包括擦除模式，其中從所述第一、第二和第三浮動柵極去除至少部分電荷，從而分別將所述第一、第二和第三浮動柵極半導體器件置于初 始狀態用于對所述電磁輻射曝光；曝光模式，其中響應于在所述感光半導體器件的終端的電壓，至 少部分充電所述第一、第二和第三浮動柵極，在所述終端的電壓對應于所述感光半導體器件對來自所述圖像的所述電磁輻射的曝光；讀取模式，其中在所述第一、第二和第三控制柵極提供預定電壓， 在所述第一、第二和第三漏極和所述第一、第二和第三源極之間的電 流分別指示曝光模式期間位于所述第一、第二和第三浮動柵極上的電 荷；放置在所述感光半導體器件和電磁輻射之間的濾色鏡； 被連接用于在讀取模式期間從所述像素的每一個獲得圖像數據的圖像傳感器讀出電路；以及被連接用于將所述圖像傳感器讀出電路獲得的圖像數據排列為圖像幀的幀獲取器。
16. 如權利要求15的數字照相機，其中，所述受控模式進一步包 括數據保持模式，其中盡管所述感光半導體器件對來自所述圖像的所 述電磁輻射進一步曝光，在所述曝光模式期間所獲得的第一、第二和 第三浮動柵極上的電荷被保持在其上。
17. —種用于在圖像傳感器中操作像素的方法，所述像素包括具 有第一浮動柵極、第一控制柵極、第一漏極和第一源極的第一浮動柵 極半導體器件；具有第二浮動柵極、第二控制柵極、第二漏極和第二 源極的第二浮動柵極半導體器件；具有第三浮動柵極、第三控制柵極、 第三漏極和第三源極的第三浮動柵極半導體器件；放置以用于對來自 圖像的電磁輻射曝光的感光半導體器件；放置在所述感光半導體器件 和所述電磁輻射之間的濾色鏡；具有第四控制柵極、連接到所述光電 二極管陰極的第四漏極、以及連接到所述光電二極管陽極的第四源極 的場效應晶體管，所述場效應晶體管的第四源極和光電二極管的陽極 被進一步連接到所述第一、第二和第三控制柵極；以及具有連接到所述第一、第二和第三控制柵極的陽極的二極管，該方法包括向所述二極管的陰極應用負電壓以擦除所述第一、第二和第三浮 動柵極半導體器件；向所述二極管的陰極應用正電壓以復位所述感光半導體器件； 向所述第二源極應用高電壓，向所述第一和第三源極應用低電壓，并過濾通過所述彩色可調濾光器的藍光；以及向所述第三源極應用高電壓，向所述第一和第二源極應用低電壓，并過濾通過彩色可調濾光器的紅光。
18. 如權利要求17的方法，進一步包括 向所述第四源極應用編程電壓；以及向所述第一源極應用高電壓，向所述第二和第三源極應用低電壓， 并允許所有顏色通過所述彩色可調濾光器。
19. 如權利要求17的方法，進一步包括 向所述第四源極應用讀取電壓；以及 讀取所述第一、第二和第三源極上的電流。
全文摘要
一種用于記錄彩色圖像的設備(20)，包括具有形成在單片襯底上的多個像素(24)的圖像傳感器(22)。該多個像素(24)的每一個包括三個浮動柵極半導體器件(80，82，84)。彩色可調濾光器(30)位于感光半導體器件(86)和電磁輻射源之間。FET晶體管(130)具有連接到光電二極管(86)的陰極(120)的漏極(134)，和連接到光電二極管(86)的陽極(118)以及三個浮動柵極半導體器件(80，82，84)的每一個的控制柵極(94、104、114)的源極(136)。彩色可調濾光器(30)允許所有期望的顏色組合通過，同時三個浮動柵極半導體器件(80，82，84)每一個被分別選擇來存儲彩色圖像。
文檔編號G02B5/20GK101248676SQ200680031209
公開日2008年8月20日 申請日期2006年7月12日 優先權日2005年8月30日
發明者帆 何, 卡爾·林恩·舒爾博夫, 李自力, 邁克爾·W·弗倫策 申請人:摩托羅拉公司