像素单元和形成像素单元的方法及数字相机成像系统组件技术方案

技术编号:18449515 阅读:20 留言:0更新日期:2018-07-14 12:14
一种像素单元,包括光电二极管,传输晶体管,复位晶体管及读出电路块。所述光电二极管,传输晶体管,及复位晶体管设置在第一半导体芯片的第一基底内,用于累积图像电荷以响应入射到光电二极管上的光。所述读出电路块设置在第二半导体芯片的第二基底内,且所述读出电路块根据功能设置包括可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式。全局曝光读出模式提供像素内相关双采样。

【技术实现步骤摘要】
像素单元和形成像素单元的方法及数字相机成像系统组件
本专利技术涉及一种图像传感器,尤其涉及一种具有堆叠芯片结构的CMOS图像传感器的像素单元。底部芯片包括捕获图像的光传感区域和结构的阵列。顶部芯片包括从阵列中获取图像的电路元件。该图像传感器可应用于数字相机。
技术介绍
一个图像捕获装置包括一个图像传感器和一个成像镜头。成像镜头聚光到图像传感器以形成图像,图像传感器转换光信号到电信号。该电信号从图像捕获装置输出到主系统的其他组件。该图像捕获装置和主系统的其他组件构成一个成像系统。图像传感器现在非常普遍并在各种电子系统中可见,例如,手机,数字相机,医疗设备,或计算机等。一个典型的图像传感器包括设置于两维阵列的一定数量的光传感图像单元(像素)。所述的图像传感器能够通过对像素形成色彩滤镜矩阵(CFA)以产生彩色图像。此技术用于制造图像传感器,尤其是,互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器,继续向前迈进发展。例如,高分辨率和低功耗的需求进一步促进这些图像传感器的小型化和集成化。然而,小型化带来了像素图像分辨率和动态范围的损失,需要新的方式来解决这个问题。随着像素尺寸的降低,基底内总的光吸收程度对某些光来说变得不充足,尤其是波长较长的光。这成为使用光入射到传感器基底的背面的背照(BSI)技术的图像传感器的典型问题。在BSI技术中,传感器硅基底可以是2微米厚,这足够吸收蓝光但不足以吸收红光,红光充分吸收需要大约10微米厚。将所述图像传感器做成所述的堆叠图像传感器已是众所周知。其中一种典型的方式是,像素阵列的光电二极管或其他光传感元件设置于第一半导体晶片或基底,处理光传感元件信号的相关电路设置于直接覆盖在第一半导体晶片或基底之上的第二半导体晶片或基底上。所述的第一和第二半导体基底在此一般分别是指传感器和电路芯片。更准确地,第一和第二半导体晶片并排沿着第一和第二半导体晶片上很多类似的晶片设置,所述晶片是堆叠的,对齐相关的晶片内电连接点,切成称作半导体芯片的堆叠组件。当提到堆叠两个芯片应理解为在普通应用中两个晶片堆叠并切成依旧堆叠成例如堆叠图像传感器的电子系统这样的芯片。当晶片间连接点和芯片内连接点分别指形成在留在相同晶片和芯片上的装置的连接点时,所述连接传感器和电路芯片的晶片间电连接点可看作是芯片内互连。这种设置的好处包括图像传感器系统与非堆叠设置相比占用面积降低。另外一个好处是不同的生产方法和材料可用于加工每个芯片可独立优化的情形。两种最普通的读出传感器芯片产生的图像信号的方式是滚动曝光模式和全局曝光模式。滚动曝光模式包括在不同的时间内曝光传感器阵列的不同行并且按选定的顺序读出这些行。全局曝光模式包括同时曝光每一像素并且和操作传统的机械快门相机相同的时间长度。现有的数字图像系统已经实现了滚动曝光或全局曝光的读出模式。成像系统具有两种可选的读出模式是非常有益的。滚动曝光(RS)模式在不同的时间内曝光和读出阵列的相邻行,每行开始和结束其曝光与相邻行有略微的偏移时间。曝光完成后一行接一行地读出且从每行传输电荷到像素的读出节点。虽然每行属于相同的曝光时间,传感器上部的行的曝光时间要早于下部的行的曝光时间。时间有赖于行的数目以及相邻行之间的偏移时间。滚动曝光读出模式一个潜在的问题是空间变形。当一个大的物体以高于读出速率的速率运动时,就容易出现空间变形。另一个问题是曝光图像的不同区域不能及时地精确纠正并在图像中呈现出变形。为提高最后读出的图像信号的信噪比,一般是降低随机噪声,称为相关双采样(CDS)的参考读出在每个像素被放大晶体管放大输出信号变换之前进行操作。放大晶体管可为一源极跟随晶体管(SF)。全局曝光(GS)模式同时曝光阵列中的所有像素。这有利于抓取快速运动的目标,及时冻结。曝光开始前通过耗尽所有的电荷所有像素都复位(RST)到相同的表面暗电平。在曝光开始时每一像素同时收集电荷并在整个曝光期间都允许这样处理。在曝光结束时每一像素同时传输电荷到它的读出点。全局曝光模式可看作是当前面的曝光从每一像素的读出存储点读出时曝光行进的连续操作方式。在这种模式中,传感器具有百分百的占空比来优化时间分辨率和光子收集效率。在滚动曝光模式中的短暂读出阶段的图像中没有这种做法。传感器的不同区域之间准确的时间相关性是必需的这是全局曝光最基本的要求。全局曝光模式也非常容易实现与光源或其他设备同步。全局曝光模式要求像素比使用滚动曝光模式的像素至少多包含一个晶体管或存储组件。这些额外的组件用于存储后续同时曝光时间内所读出的图像电荷。为了提高图像信号的信噪比,需要一个参考电路,不但在每一像素电荷到放大器晶体管输出的信号的转换之前,而且在像素电荷传输到用于在读出期间存储图像电荷的额外组件之前执行该参考电路。总之,滚动曝光模式能传送最低的读出噪声而且对不需要到光源或外部设备同步的快速数据流非常有用。然而,当相对较大,快速移动的物体成像时会带来空间变形的风险。在使用全局曝光时没有空间变形的风险,且同步到快速切换外部装置时相对简单并且能产生图像的高帧率。能灵活地同时提供滚动曝光模式和全局曝光模式非常有利。当采用特定新型电路元件实现可选滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式时,传感器芯片和电路芯片在每一像素互相连接的堆叠图像传感器性能会得到提升。本专利技术满足了这些需求并在本
技术实现思路
中进一步详细描述。
技术实现思路
如下内容描述给出了本专利技术所做出的贡献。本专利技术提供一种像素单元,所述像素单元包括:第一基底,包括正面和背面;一个或多个传输晶体管,每一所述传输晶体管分别连接至各自的光电二极管及共享浮动节点,设置在所述第一基底内,用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光;所述四个光电二极管以2×2排列方式设置。复位晶体管和放大晶体管设置在所述第一基底内,用于转换图像电荷到图像信号并从所述第一基底连接输出;读出电路块,设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内,所述读出电路块包括可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式;及芯片内互连,用于直连所述放大晶体管到所述读出电路块。所述多个传输晶体管及其各自连接的光电二极管为四个传输晶体管和四个光电二极管,所述多个传输晶体管共享一浮动节点并连接到所述复位晶体管和所述放大晶体管。所述四个光电二极管以2×2排列方式设置。所述四个光电二极管的一个光电二极管通过红光滤光器接收入射光,一个光电二极管通过蓝光滤光器接收入射光,两个光电二极管分别通过绿光滤光器接收入射光。所述读出电路块其他晶体管关闭时,所述读出电路块的可选滚动曝光模式的所述图像信号从所述放大晶体管通过一个滚动曝光选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。所述读出电路块的滚动曝光选择晶体管关闭时,所述读出电路块的全局曝光读出模式的所述图像信号从所述放大晶体管通过一个全局曝光选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。所述滚动曝光选择晶体管的输出端直连到所述全局曝光选择晶体管的输出端。所述滚动曝光读出模式和所述全局曝光读出模式根据功能设定选择。所述读出电路块的全局曝光读出模式包括连接在所述放大晶体管和所述全局曝光输出放大晶体管之间的电路器件,用于对所述放大晶体管和所述电路器件执行相关双采样。在所述全局曝光输出放大晶体管的输入端和地端之间,包括三个组件,其中一复位电容连接所述全局曝本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种像素单元,包括:第一基底,包括正面和背面;一个或多个传输晶体管,每一所述传输晶体管分别连接至各自的光电二极管及共享浮动节点,设置在所述第一基底内,用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光;复位晶体管和放大晶体管设置在所述第一基底内,用于转换图像电荷到图像信号并从所述第一基底连接输出;读出电路块,设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内,所述读出电路块包括可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式;及芯片内互连,用于直连所述放大晶体管到所述读出电路块。

【技术特征摘要】
2017.02.03 US 15/424,124;2017.05.31 US 15/609,857;1.一种像素单元,包括:第一基底,包括正面和背面;一个或多个传输晶体管,每一所述传输晶体管分别连接至各自的光电二极管及共享浮动节点,设置在所述第一基底内,用于累积和传输图像电荷以响应入射到所述光电二极管上的光;复位晶体管和放大晶体管设置在所述第一基底内,用于转换图像电荷到图像信号并从所述第一基底连接输出;读出电路块,设置在堆叠于所述第一基底正面的第二基底内,所述读出电路块包括可选的滚动曝光读出模式和全局曝光读出模式;及芯片内互连,用于直连所述放大晶体管到所述读出电路块。2.根据权利要求1所述的像素单元,其特征在于,所述多个传输晶体管及其各自连接的光电二极管为四个传输晶体管和四个光电二极管,所述多个传输晶体管共享一浮动节点并连接到所述复位晶体管和所述放大晶体管。3.根据权利要求2所述的像素单元,其特征在于,所述四个光电二极管以2×2排列方式设置。4.根据权利要求2所述的像素单元,其特征在于,所述四个光电二极管的一个光电二极管通过红光滤光器接收入射光,一个光电二极管通过蓝光滤光器接收入射光,两个光电二极管分别通过绿光滤光器接收入射光。5.根据权利要求1所述的像素单元,其特征在于,所述滚动曝光读出模式和所述全局曝光读出模式根据功能应用设定选择。6.根据权利要求1所述的像素单元,其特征在于,所述读出电路块的其他晶体管关闭时,所述读出电路块的可选滚动曝光模式的所述图像信号从所述放大晶体管通过一个滚动曝光选择晶体管连接输出到图像传感器的列线;所述读出电路块的滚动曝光选择晶体管关闭时,所述读出电路块的全局曝光读出模式的所述图像信号从所述放大晶体管通过一个全局曝光选择晶体管连接输出到图像传感器的列线。7.根据权利要求6所述的像素单元,其特征在于,所述滚动曝光选择晶体管的输出端直连到所述全局曝光选择晶体管的输出端。8.根据权利要求7所述的像素单元,其特征在于,所述读出电路块的全局曝光读出模式包括连接在所述放大晶体管和所述全局曝光输出放大晶体管之间的电路器件,用于对所述放大晶体管和所述电路器件执行相关双采样。9.根据权利要求8所述的像素单元,其特征在于,在所述全局曝光输出放大晶体管的输入端和地端之间,包括三个组件,其中一复位电容连接所述全局曝光输出放大晶体管的输入端和图像信号输出端点之间,及一信号电容连接在所述图像信号输出端点和全局曝光信号选择晶体管的漏极之间,其...

【专利技术属性】
技术研发人员:莫要武徐辰邵泽旭
申请(专利权)人:思特威电子科技美国有限公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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