高动态范围图像传感器制造技术

本申请案涉及高动态范围图像传感器。用于高动态范围HDR图像传感器中的像素电路包含安置在第一半导体晶片中的光电二极管及浮动扩散部。转移晶体管安置在所述第一半导体晶片中且经调适以接通从而将所述光电二极管中光产生的电荷载子转移到所述浮动扩散部。像素内电容器安置在第二半导体晶片中。所述第一半导体晶片与所述第二半导体晶片堆叠且耦合到所述第二半导体晶片。双浮动扩散DFD晶体管安置在所述第一半导体晶片中。所述像素内电容器通过所述DFD晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散部。所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器耦合到所述浮动扩散部而设定为低转换增益，且响应于所述像素内电容器从所述浮动扩散部解耦而设定为高转换增益。

【技术实现步骤摘要】
高动态范围图像传感器
本专利技术大体上涉及图像传感器，且更具体来说，本专利技术涉及高动态范围图像传感器。
技术介绍
标准图像传感器具有约60到70dB的有限动态范围。但是，真实世界的亮度动态范围大得多。自然场景的范围通常跨90dB及以上。为了同时捕获高光和阴影，已经在图像传感器中使用HDR技术来增大捕获的动态范围。增大动态范围的最常用技术是将用标准(低动态范围)图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性HDR图像，其具有远大于单个曝光图像的动态范围。最常见的HDR传感器解决方案之一将是在一个单个图像传感器上进行多次曝光。在不同曝光积分时间或不同灵敏度(例如通过插入中性密度滤波器)的情况下，一个图像传感器在单个图像传感器中可具有2、3、4甚至更多次不同的曝光。使用此HDR图像传感器，在单次拍摄中可获得多个曝光图像。但是，与正常全分辨率图像传感器相比，使用此HDR传感器使总体图像分辨率降低。例如，对于将4个不同曝光组合在一个图像传感器中的HDR传感器，每个HDR图像将仅为全分辨率图像的四分之一分辨率图像。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例涉及一种用于高动态范围(HDR)图像传感器中的像素电路。所述用于高动态范围(HDR)图像传感器中的像素电路包括：光电二极管，其安置在第一半导体晶片中，所述光电二极管经调适以在所述HDR图像传感器的单个图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而光产生电荷载子；浮动扩散部，其安置在所述第一半导体晶片中，且经耦合以接收所述光电二极管中光产生的所述电荷载子；转移晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间，其中所述转移晶体管经调适以接通从而将所述光电二极管中光产生的所述电荷载子转移到所述浮动扩散部；像素内电容器，其安置在第二半导体晶片中，其中所述第一半导体晶片与所述第二半导体晶片堆叠且耦合到所述第二半导体晶片；及双浮动扩散(DFD)晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且经耦合在所述浮动扩散部与所述像素内电容器之间，其中所述像素内电容器通过所述DFD晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散部，其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器经耦合到所述浮动扩散部而设定为低转换增益，且其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器从所述浮动扩散部解耦而设定为高转换增益。本专利技术的另一实施例涉及一种高动态范围(HDR)成像传感器系统。所述高动态范围(HDR)成像传感器系统包括：像素电路的像素阵列，其中所述像素电路中的每一者包含：光电二极管，其安置在第一半导体晶片中，所述光电二极管经调适以在所述HDR图像传感器系统的单个图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而光产生电荷载子；浮动扩散部，其安置在所述第一半导体晶片中，且经耦合以接收所述光电二极管中光产生的所述电荷载子；转移晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间，其中所述转移晶体管经调适以接通以将所述光电二极管中光产生的所述电荷载子转移到所述浮动扩散部；像素内电容器，其安置在第二半导体晶片中，其中所述第一半导体晶片与所述第二半导体晶片堆叠且耦合到所述第二半导体晶片；及双浮动扩散(DFD)晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且耦合在所述浮动扩散部与所述像素内电容器之间，其中所述像素内电容器通过所述DFD晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散部，其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器耦合到所述浮动扩散部而设定为低转换增益，且其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器从所述浮动扩散部解耦而设定为高转换增益；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。附图说明参考下列诸图描述本专利技术的非限制性及非穷举性实施例，其中除非另外指定，否则贯穿各个视图，类似参考数字指类似部分。图1是图示说明根据本专利技术的教示的包含彩色像素阵列的成像系统的一个实例的图，其中每个像素电路是实现高动态范围(HDR)成像的包含堆叠架构的双转换增益电路。图2是图示说明根据本专利技术的教示的实现HDR成像的具有在堆叠架构中实施的双转换增益的像素电路的一个实例的图。图3是图示说明根据本专利技术的教示的实现HDR成像的具有在堆叠架构中实施的双转换增益的像素电路的另一实例的图。贯穿附图的若干视图的对应参考符号指示对应组件。本领域的技术人员将了解，诸图中的元件是出于简明和清晰的目的图示说明且不一定按比例绘制。例如，诸图中的一些元件的尺寸可相对其它元件放大来帮助改进对本专利技术的各种实施例的理解。同样地，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必要的常见又充分理解的元件，以便促进对本专利技术的这些各种实施例的较少阻碍视图。具体实施方式在下列描述中，陈述许多特定细节以便提供对本专利技术的通透理解。但是，所属领域的技术人员将了解，不需要采取特定细节来实践本专利技术。在其它实例中，不详细描述众所周知的材料或方法以便避免混淆本专利技术。贯穿此说明书的对“一个实施例”、“实施例”、“一个实例”或“实例”的参考意味着结合实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本专利技术的至少一个实施例中。因此，贯穿此说明书出现在各种位置的片语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个实例”或“实例”不一定都指同一实施例或实例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实施例或实例中以任何适当组合和/或子组合进行组合。特定特征、结构或特性可包含在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述功能性的其它适当组件中。另外，所属领域的技术人员将了解，此处提供的图是出于解释的目的且附图不一定按比例绘制。根据本专利技术的教示的实例描述彩色像素阵列，在所述彩色像素阵列中，根据本专利技术的教示，每个像素电路以双转换增益读出以实现HDR成像。在实例中，根据本专利技术的教示，每个像素电路在包含至少两个半导体晶片的堆叠架构中实施以实现HDR成像，其中光电二极管、浮动扩散部(FD)、转移晶体管和双浮动扩散(DFD)晶体管安置在第一半导体晶片中，且像素内电容器安置在与第一半导体晶片堆叠并耦合到第一半导体晶片的第二半导体晶片中。因此，所述晶片中的一者包含像素阵列，且所述晶片中的另一者为逻辑晶片。在一个实例中，通过启用或停用将像素内电容器耦合到FD节点的DFD晶体管将像素阵列的像素电路中的转换增益设定为高或低。凭借此结构，高转换增益可相当高，且低转换增益可相当低。如将揭示，根据本专利技术的教示，此结构在关断双浮动扩散晶体管时提供具有小满井容量的高转换增益，并在接通双浮动扩散晶体管时提供具有大满井容量的低转换增益，甚至对于小尺寸像素也如此。因此，每一帧都可以高转换增益和低转换增益读出，并且通过接通或关断双浮动扩散晶体管而数字化地选择使用哪一个转换增益。如此，根据本专利技术的教示的彩色像素阵列可根据本专利技术的教示可以在同一帧中以单一曝光或单一积分时间同时捕获明亮对象和灰暗对象两者。因此，高曝光时间和低曝光时间的多重曝光不再是必要的，这可带来挑战，这是因为多重曝光时间不会同时发生。由于根据本专利技术的教示的彩色像素阵列输出具有不同转换增益的像素值，以每帧输出产生仅一个积分时间的HDR图像，因此消除重像和光闪烁的问题。为了图示说明，图1是图示说明根据本专利技术的教示的包含彩色像素阵列102的高动态范围(HDR)成像系统10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高动态范围HDR图像传感器中的像素电路，其包括：光电二极管，其安置在第一半导体晶片中，所述光电二极管经调适以在所述HDR图像传感器的单个图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而光产生电荷载子；浮动扩散部，其安置在所述第一半导体晶片中，且经耦合以接收所述光电二极管中光产生的所述电荷载子；转移晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间，其中所述转移晶体管经调适以接通从而将所述光电二极管中光产生的所述电荷载子转移到所述浮动扩散部；像素内电容器，其安置在第二半导体晶片中，其中所述第一半导体晶片与所述第二半导体晶片堆叠且耦合到所述第二半导体晶片；及双浮动扩散DFD晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且经耦合在所述浮动扩散部与所述像素内电容器之间，其中所述像素内电容器通过所述DFD晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散部，其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器经耦合到所述浮动扩散部而设定为低转换增益，且其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器从所述浮动扩散部解耦而设定为高转换增益。

【技术特征摘要】
2017.04.12 US 15/485,5341.一种用于高动态范围HDR图像传感器中的像素电路，其包括：光电二极管，其安置在第一半导体晶片中，所述光电二极管经调适以在所述HDR图像传感器的单个图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而光产生电荷载子；浮动扩散部，其安置在所述第一半导体晶片中，且经耦合以接收所述光电二极管中光产生的所述电荷载子；转移晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且耦合在所述光电二极管与所述浮动扩散部之间，其中所述转移晶体管经调适以接通从而将所述光电二极管中光产生的所述电荷载子转移到所述浮动扩散部；像素内电容器，其安置在第二半导体晶片中，其中所述第一半导体晶片与所述第二半导体晶片堆叠且耦合到所述第二半导体晶片；及双浮动扩散DFD晶体管，其安置在所述第一半导体晶片中且经耦合在所述浮动扩散部与所述像素内电容器之间，其中所述像素内电容器通过所述DFD晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散部，其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器经耦合到所述浮动扩散部而设定为低转换增益，且其中所述浮动扩散部响应于所述像素内电容器从所述浮动扩散部解耦而设定为高转换增益。2.根据权利要求1所述的像素电路，其进一步包括安置在所述第一半导体晶片中的放大器晶体管，其中所述放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子以产生所述像素电路的输出信号。3.根据权利要求2所述的像素电路，其进一步包括行选择晶体管，其安置在所述第二半导体晶片中且耦合到所述放大器晶体管，以将所述像素电路的所述输出信号选择性地耦合到所述第二半导体晶片中的输出位线。4.根据权利要求3所述的像素电路，其进一步包括第一通孔，其耦合在所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片之间，且耦合在所述行选择晶体管与所述放大器晶体管之间。5.根据权利要求1所述的像素电路，其进一步包括复位晶体管，其安置在所述第二半导体晶片中且耦合到所述第二半导体晶片中的所述像素内电容器及所述第一半导体晶片中的所述DFD晶体管，其中所述复位晶体管经耦合以响应于复位信号选择性地复位所述浮动扩散部及所述光电二极管。6.根据权利要求5所述的像素电路，其中用所述复位晶体管选择性地接通所述DFD晶体管以复位所述浮动扩散部及所述光电二极管。7.根据权利要求5所述的像素电路，其进一步包括第二通孔，其耦合在所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片之间，且耦合在所述复位晶体管与所述DFD晶体管之间。8.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素内电容器端接到接地。9.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素内电容器耦合到脉冲驱动信号。10.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述浮动扩散部以电容方式耦合到升压信号。11.一种高动态范围HDR成像传感器系统，其包括：像素电路的像素阵列，其中所述像素电路中的每一者包含：光电二极管，其安置在第一半导体晶片中，所述光电二极管经调适以在所述HDR图像传感器系统的单个图像捕获的单次曝光期间响应于入射光而...

【专利技术属性】
技术研发人员：真锅宗平，马渕圭司，后藤高行，毛杜立，海老原弘知，渡边一史，
申请(专利权)人：豪威科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US