圖像傳感器及其驅(qū)動(dòng)方法
【專利說(shuō)明】圖像傳感器及其驅(qū)動(dòng)方法
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)基于并要求2014年7月23日提交的日本專利申請(qǐng)N0.2014-149909的優(yōu)先權(quán)，該日本專利申請(qǐng)的全文通過(guò)引用并入在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及圖像傳感器，更具體地涉及對(duì)各像素設(shè)置有放大電路的圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0004]利用X射線透過(guò)圖像非破壞性地檢查調(diào)查對(duì)象的內(nèi)部，這種技術(shù)是醫(yī)療和工業(yè)用非破壞性檢測(cè)領(lǐng)域中的必要的技術(shù)。特別地，X射線圖像傳感器將X射線透過(guò)圖像直接獲取作為電子數(shù)據(jù)，由于其拍攝圖像的迅速性、通過(guò)圖像處理能夠輔助圖像讀取、能夠處理動(dòng)態(tài)圖像等，而被廣泛地采用。主要用作為X射線圖像傳感器的是稱作FPD(平板檢測(cè)器)的裝置。在FPD中，二維設(shè)置的各像素設(shè)有:將X射線轉(zhuǎn)換成電荷的光電轉(zhuǎn)換部；以及將積聚在光電轉(zhuǎn)換部中的信號(hào)電荷取出到外部的開(kāi)關(guān)元件。FPD通過(guò)在玻璃等大面積基板上使用薄膜半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)制作。這是因?yàn)?與可見(jiàn)光的情況不同，不能容易地制作X射線的減小光學(xué)系統(tǒng)，因此FPD的大小需要等于或大于調(diào)查對(duì)象的大小。因此，作為設(shè)置在像素上的開(kāi)關(guān)元件，使用TFT (薄膜晶體管)。
[0005]FPD根據(jù)將X射線轉(zhuǎn)換成電荷的方式，可大致分成兩類。一種是將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光并將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換成電荷的間接轉(zhuǎn)換方式。另一種是將X射線直接轉(zhuǎn)換成電荷的直接轉(zhuǎn)換方式。
[0006]作為間接轉(zhuǎn)換方式的FPD，具有在日本未審查的專利公報(bào)特開(kāi)平04-206573 (專利文獻(xiàn)1)的圖5中公開(kāi)的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，在形成有光電二極管和晶體管的形成部上經(jīng)由絕緣膜層疊有熒光體層。通過(guò)X射線的照射，熒光體層發(fā)出可見(jiàn)光，光電二極管將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換成電荷。另外，專利文獻(xiàn)1的技術(shù)公開(kāi)了用a-Si (非晶硅)形成光電二極管和晶體管的例子。
[0007]作為直接轉(zhuǎn)換方式的FPD，具有在日本未審查的專利公報(bào)特開(kāi)平11-211832 (專利文獻(xiàn)2)的圖1中公開(kāi)的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，通過(guò)將光導(dǎo)電層連接到晶體管而形成的像素形成在基板上。X射線被光導(dǎo)電層吸收并直接被轉(zhuǎn)換成電荷。專利文獻(xiàn)2的技術(shù)公開(kāi)了使用ZnO、CdS、CdSe等作為光導(dǎo)電層的方法。
[0008]這兩種方式的FPD中的信號(hào)被輸出作為電荷，這些電荷通過(guò)外部積分器等信號(hào)檢測(cè)電路而被轉(zhuǎn)換成電壓并被數(shù)字化。在此所示的專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2的技術(shù)輸出由各像素獲得的信號(hào)電荷本身，因此它們?cè)谀承┣闆r下可被分類為PPS(無(wú)源像素傳感器)，因?yàn)樵谶@些技術(shù)中信號(hào)電荷在像素內(nèi)未被放大。
[0009]近年來(lái)，在醫(yī)療領(lǐng)域中，對(duì)于X射線診斷裝置，越來(lái)越強(qiáng)烈要求減小暴露于輻射和實(shí)現(xiàn)高清晰度。當(dāng)為了減小暴露于輻射而減小X射線照射量時(shí)，由FPD檢測(cè)到的信號(hào)電荷減小，因此S/N比劣化。另外，當(dāng)為了實(shí)現(xiàn)高清晰度而將FPD的像素大小設(shè)計(jì)為很小時(shí)，信號(hào)電荷也相應(yīng)地減少。因此，S/N比劣化。S卩，為了實(shí)現(xiàn)低的暴露于輻射和高清晰度這兩者，必須提高FPD的S/N比。
[0010]作為提高圖像傳感器的S/N比的方法，具有用于CMOS圖像傳感器的稱作APS (有源像素傳感器)的技術(shù)。這是對(duì)圖像傳感器的各像素除設(shè)置光電二極管等的光電轉(zhuǎn)換元件以外還設(shè)置放大電路從而放大并輸出光電轉(zhuǎn)換元件的信號(hào)的技術(shù)。該技術(shù)使得與PPS方式的情況相比能夠大幅提尚?目號(hào)的S/N比。
[0011]CMOS圖像傳感器通常集成在單晶硅基板上并主要用于光學(xué)相機(jī)等，并已經(jīng)嘗試將APS技術(shù)用于薄膜晶體管。作為其例子，具有在日本未審查的專利公報(bào)特開(kāi)昭58-068968 (專利文獻(xiàn)3 (圖1))和日本未審查的專利公報(bào)特開(kāi)昭60-091666 (專利文獻(xiàn)4 (圖2))中公開(kāi)的技術(shù)。專利文獻(xiàn)3中公開(kāi)的技術(shù)是使用多晶硅TFT作為信號(hào)放大用晶體管的例子。專利文獻(xiàn)4中公開(kāi)的技術(shù)是使用a-Si TFT作為信號(hào)放大用晶體管的例子。
[0012]然而，實(shí)際上，使用多晶硅TFT或a-Si TFT的APS圖像傳感器幾乎未投入實(shí)際使用。其原因?qū)⒃谙旅嬲f(shuō)明。
[0013]在使用多晶硅TFT的情況下，閾值電壓的變化極大。特性變化是由多晶硅的結(jié)晶粒徑的變化引起的本質(zhì)問(wèn)題。當(dāng)構(gòu)成放大電路的TFT的閾值電壓發(fā)生變化時(shí)，放大電路的輸出電壓也產(chǎn)生變化。閾值電壓的變化在極其靠近彼此設(shè)置的TFT元件之間很大，因此難以通過(guò)設(shè)計(jì)電路來(lái)消除。因此，當(dāng)對(duì)圖像傳感器的各像素設(shè)置多結(jié)晶TFT的放大電路時(shí)，在各像素中信號(hào)產(chǎn)生變化，由此產(chǎn)生FPN(固定模式噪聲)。
[0014]在使用a-Si TFT來(lái)放大信號(hào)的情況下，由于其非晶結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生由多晶硅TFT的情況那樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)引起的閾值電壓變化的問(wèn)題。但是，在可靠性方面產(chǎn)生問(wèn)題，這是在a-Si TFT中電壓連續(xù)施加于柵極和源極之間時(shí)閾值電壓大幅波動(dòng)的現(xiàn)象。在用于放大電路的TFT中，在柵極和源級(jí)之間連續(xù)施加使TFT始終導(dǎo)通的電壓。因此，用于放大電路的TFT的閾值電壓發(fā)生波動(dòng)，由此輸出電壓也相應(yīng)地發(fā)生波動(dòng)。與可靠性有關(guān)的問(wèn)題在使用非晶氧化物半導(dǎo)體的TFT中也同樣發(fā)生。
[0015]a-Si TFT、非晶氧化物半導(dǎo)體TFT等的閾值電壓的波動(dòng)量取決于施加于TFT的柵極和源極之間的電壓的大小和時(shí)間。因此，考慮通過(guò)控制施加于源極和柵極之間的電壓使其變小并縮短施加時(shí)間，來(lái)抑制閾值電壓的波動(dòng)。
[0016]雖然目的不是解決上述的與TFT可靠性有關(guān)的問(wèn)題，但是日本未審查的專利公報(bào)特開(kāi)2010-098714 (專利文獻(xiàn)5 (圖1、圖2))公開(kāi)了在采用APS技術(shù)的圖像傳感器中改變作為放大電路的TFT的柵極電壓的技術(shù)。
[0017]圖16將專利文獻(xiàn)5中公開(kāi)的圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)示作相關(guān)技術(shù)1。在相關(guān)技術(shù)1中，圖像傳感器的各像素900設(shè)有:作為放大電路的晶體管901 ;光電二極管902 ;存儲(chǔ)電容903 ;以及復(fù)位晶體管904。
[0018]作為晶體管901的負(fù)載的電流源905的第一端子951連接到各像素列共用的輸出配線DATA。關(guān)于光電二極管902，陽(yáng)極端子92a連接到控制線RSEL，陰極端子92k連接到晶體管901的柵極端子91g和晶體管904的源極端子94s。存儲(chǔ)電容903與光電二極管902并聯(lián)連接。關(guān)于晶體管901，漏極端子9Id連接到電源線P91 (電源電壓VDD)，源極端子91s連接到輸出配線DATA。關(guān)于晶體管904，柵極端子94g連接到控制線RST，漏極端子94d連接到電源線P92 (電源電壓VREF)。電流源905的第二端子952連接到電源線P93 (電源電壓 VREF)ο
[0019]圖17是示出相關(guān)技術(shù)1的操作的時(shí)序圖，其示出圖16中所示的控制線RST、RSEL和節(jié)點(diǎn)N1、N2的電壓。節(jié)點(diǎn)N1和節(jié)點(diǎn)N2的實(shí)線和虛線分別示出照射光量LuxA和LuxB時(shí)的電壓。
[0020]操作主要分成三個(gè)時(shí)段。在時(shí)間t0到時(shí)間tl的復(fù)位時(shí)段中，由于控制線RST的電位從VSS變化到VDD，因此晶體管904變成處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電二極管902和存儲(chǔ)電容903的兩端電壓被復(fù)位，節(jié)點(diǎn)N1的電位變?yōu)閂REF。
[0021]在從時(shí)間tl到時(shí)間t2的積分時(shí)段中，光電二極管902和存儲(chǔ)電容903的電荷根據(jù)照射到光電二極管902的光量而減少，節(jié)點(diǎn)N1的電壓減小。
[0022]在從時(shí)間t2到時(shí)間t3的讀出時(shí)段中，控制線RSEL的電位從VSS增大到VREF。因此，節(jié)點(diǎn)N1的電位也增加到等于或大于晶體管901的閾值電壓，節(jié)點(diǎn)N2的電位增大。
[0023]從作為放大電路的晶體管901的柵極-源極電壓的觀點(diǎn)來(lái)看，可如下闡述。即，在從時(shí)間t0到時(shí)間tl的復(fù)位時(shí)段中，對(duì)柵極端子91g施加VREF的電壓，但是，源極端子91s的電壓也是VREF，因此沒(méi)有電壓施加到柵極和源極之間。
[0024]在從時(shí)間tl到時(shí)間t2的積分時(shí)段中，光電流根據(jù)照射的光量流入到光電二極管902。隨著光電二極管902和存儲(chǔ)電容903中積蓄的電荷減少，晶體管901的柵極電壓向減小的方向變化。因此，晶體管901的柵極和源極之間的電壓的極性變?yōu)樨?fù)。
[0025]在從時(shí)間t2到時(shí)間t3的讀出時(shí)段中，隨著控制線RSEL的電位上升，晶體管901的柵極電壓也上升，并且柵極和源極之間的電壓在正的極性下增大。之后，輸出配線DATA的寄生電容通過(guò)晶體管901充電，節(jié)點(diǎn)N2的電位達(dá)到比晶體管901的柵極電壓小閾值電壓量的電壓。即，在使用APS技術(shù)的放大電路用TFT的柵極和源極之間不是始終連續(xù)施加正電壓，而可以施加負(fù)電壓，或者可任意地改變電壓的大小。同樣的技術(shù)在日本未審查的專利申請(qǐng)公報(bào)特表2009-540628 (專利文獻(xiàn)6 (圖8、圖9))中也被公開(kāi)。
[0026]然而，在相關(guān)技術(shù)1中，當(dāng)控制構(gòu)成放大電路的晶體管901的柵極電位時(shí)，從各像素900輸出的信號(hào)發(fā)生延遲，由此引起不能執(zhí)行高速操作這樣的重大問(wèn)題。以下對(duì)其理由進(jìn)行說(shuō)明。
[0027]在圖16的電路結(jié)構(gòu)中，用作放大電路的晶體管901的源極端子91s直接連接到輸出配線DATA。在作為晶體管901的柵極電壓的節(jié)點(diǎn)N1的電壓小于通過(guò)將閾值電壓與晶體管901的源極電壓相加得到的值的情況下，晶體管901處于斷開(kāi)狀態(tài)，但晶體管901的柵極和源極之間的電容變?yōu)檩敵雠渚€DATA的寄生電容。
[0028]在使用a-Si或非晶氧化物半導(dǎo)體作為晶體管901的半導(dǎo)體材料的情況下，對(duì)晶體管901采用如圖18所示的反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TFT。在晶體管901中，在基板上形成柵極電極911，在柵極電極911上經(jīng)由柵極絕緣膜920形成半導(dǎo)體層930，并在半導(dǎo)體層930的兩端分別形成漏極電極941和源極電極942。
[0029]對(duì)晶體管901采用反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的理由是因?yàn)榕c采用其他結(jié)構(gòu)(例如，采用平面結(jié)構(gòu))的情況相比能夠簡(jiǎn)化TFT制造步驟。但是，在反交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中，源極電極942和柵極電極911的二維重疊面積變大，因此柵極和源極之間的電容也變大。即，輸出配線DATA的寄生電容變大。
[0030]另外，晶體管901作為源極跟隨器進(jìn)行操作，隨著源極跟隨器的輸出電壓接近目標(biāo)電壓(與輸入電壓相對(duì)應(yīng)的理想的輸出電壓)，柵極和源極之間的電壓變得更小。這意味著:隨著輸出電壓接近目標(biāo)電壓，晶體管901的漏極電流迅速減小。
[0031]通常，為了提高源極跟隨器的響應(yīng)速度，使用增大晶體管901的溝道寬度的方法。但是，在本文公開(kāi)的電路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)晶體管901的溝道寬度增大時(shí)，輸出配線DATA的寄生電容也變大。因此，不能提高響應(yīng)速度。該問(wèn)題隨著與一條輸出配線DATA連接的像素的數(shù)量增大而變得更顯著。即，該問(wèn)題對(duì)于具有大量像素的圖像傳感器來(lái)說(shuō)是致命的問(wèn)題。
[0032]因此，本發(fā)明的示例性目的是提供適于輻射圖像捕獲裝置的圖像傳感器，利用該圖像傳感器，抑制由設(shè)置在各像素處的薄膜半導(dǎo)體形成的信號(hào)放大用晶體管的特性波動(dòng)；不會(huì)產(chǎn)生可靠性上的問(wèn)題；S/N比高；以及能夠進(jìn)行高速操作。
【發(fā)明內(nèi)容