堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法技术

本发明专利技术题为“堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法”。本发明专利技术涉及一种堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及一种操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。本发明专利技术解决的技术问题是常规像素电路将电子转换成电压并使所述空穴放电，这使得难以实现高动态范围。通过本发明专利技术实现的技术效果是提供图像传感器，所述图像传感器通过积聚(收集)电子和空穴来实现高动态范围。所述图像传感器包括像素电路阵列，并且每个像素电路包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器，并且所述电荷存储电容器用于存储由高光度照明的像素中的空穴生成的信号。

Stacked chip image sensors and methods of manipulating image sensors capable of accumulating electrons and holes at the same time

【技术实现步骤摘要】
堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法
本专利技术涉及堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。
技术介绍
电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用图像传感器通过感测光来捕获图像。典型的成像器传感器包括像素的焦平面阵列，并且每个像素包括用于在衬底的一部分中聚积光生电荷的光电传感器，诸如光电门、光电导体或光电二极管。当光子投射在光电传感器上时，生成电子空穴对。常规图像传感器将在像素内积聚(收集)的电子转换成电压，而空穴通常被丢弃到衬底中。在完成积聚周期之后，收集到的电子电荷被转换成电压，该电压被提供给图像传感器的输出端子。在CMOS图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟信号还可在到达芯片输出之前在芯片上被转换成数字等同物。像素利用缓冲放大器，通常为源极跟随器(SF)晶体管，以驱动通过合适的寻址晶体管连接到像素的感测线。在电荷到电压的转换完成并且所得信号从像素被转移出去之后，像素被复位以便准备聚积新的电荷。在利用浮动扩散(FD)节点作为电荷检测节点的像素中，复位通过导通复位晶体管来实现，该复位晶体管将FD节点导电地连接到电压参考，该电压参考通常为像素SF漏极节点。该步骤移除收集的电荷；然而，该步骤会生成kTC复位噪声。该kTC复位噪声通常通过相关双采样(CDS)信号处理技术从信号移除，以便实现所需的低噪声性能。利用CDS概念的典型CMOS图像传感器通常在像素中需要三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)，其中一个用作电荷转移晶体管。然而，难以使其适应高动态范围(HDR)操作，其中必须将大量电荷存储在像素中。解决该问题的常规方法包括：向一组像素中的一些传感器行或像素分配较短的积聚时间；使用对数电荷到电压转换特性；以及将电荷存储电容器并入像素中。然而，这些常规方法并不理想，因为一者或多者可导致牺牲低光度分辨率，较短的积聚时间可导致错过一些短脉冲持续时间光源的检测；对数电荷到电压转换可导致更高的信号噪声；并且/或者由于具有占据像素中较大面积的元件，因此增加了芯片的整体尺寸。
技术实现思路
本专利技术涉及堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。本专利技术解决的技术问题是常规像素电路将电子转换成电压并使空穴放电，这使得难以实现高动态范围。根据一个方面，用于操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法包括：在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；在光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将空穴电荷转移到电容器；使用第一读出电路将电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及使用第二读出电路将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。在一个操作中，该方法还包括：将电子生成的输出电压转换成等效的第一数字值；将空穴生成的输出电压转换成等效的第二数字值；以及组合第一数字值和第二数字值，以形成单个高动态范围数字信号。根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其中图像传感器在将电子电荷转换成电子生成的输出电压之前，将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。根据另一个方面，固态堆叠芯片图像传感器包括：像素电路阵列，每个像素电路包括：光电二极管；浮体区；连接到浮体区和接地电势的电容器；电荷溢出结构，该电荷溢出结构包括连接到光电二极管的漏极，并被配置为：将具有第一极性的电荷从光电二极管转移到漏极；并且在光电二极管达到预定电荷阈值之后，将相反极性的对应电荷转移到电容器；第一读出电路，该第一读出电路通过电荷转移设备连接到：浮动扩散区；和光电二极管；其中第一读出电路被配置为输出电子生成的电压；以及第二读出电路，该第二读出电路连接到电容器并被配置为输出空穴生成的电压；其中每个像素电路跨多个芯片形成。在一个实施方案中，固态图像传感器包括与第二芯片垂直堆叠的第一芯片；并且第一芯片和第二芯片通过位于每个像素电路处的混合接合而接合在一起。在一个实施方案中，混合接合与光电二极管基本上垂直对齐。在一个实施方案中，第一芯片包括：光电二极管；电容器；和第一读出电路；并且第二芯片包括：第二读出电路；连接到第一读出电路的第一电流源；和连接到第二读出电路的第二电流源。在一个实施方案中，该电荷溢出结构包括结型栅极场效应晶体管。在一个实施方案中，电荷溢出结构包括金属氧化物半导体场效应晶体管。在一个实施方案中，电容器位于深沟槽隔离区内并包括：连接到浮体区的第一电极；和连接到参考电势的第二电极。通过本专利技术实现的技术效果是提供图像传感器，该图像传感器通过积聚(收集)电子和空穴来实现高动态范围。图像传感器包括像素电路阵列，并且每个像素电路包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器，并且电荷存储电容器用于存储由高光度照明的像素中的空穴生成的信号。附图说明当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本专利技术技术。在以下附图中，通篇以相同附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。图1代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的成像系统；图2是根据本技术的第一实施方案的电路图；图3是根据本技术的各种实施方案的像素电路的剖视图；图4是根据本技术的第二实施方案的电路图；图5是根据本技术的第三实施方案的电路图；图6是根据本技术的第四实施方案的电路图；并且图7是根据本技术的第五实施方案的电路图。具体实施方式本技术可在功能块部件和各种信号加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可采用可执行多种功能的各种半导体器件、晶体管、电容器等。另外，本技术可结合任何数量的系统(诸如便携式设备、消费电子器件、汽车系统、监控系统等)实施，并且所述的系统仅为该技术的一个示例性应用。此外，本技术可采用任何合适的像素架构、读出方案和/或设备布局。根据本专利技术的各个方面的用于图像传感器的方法和装置可提供改进的动态范围。根据本技术的各个方面的用于图像传感器的方法和装置可结合任何合适的相机应用一起操作，诸如数字相机、移动电话、平板计算机、网络相机、视频相机、视频监控系统、汽车成像系统、具有成像功能的视频游戏系统，或任何其他所需的成像系统。此外，用于图像传感器的方法和装置可与任何合适的成像系统一起使用，诸如相机系统、视频系统、机器视觉、车辆导航、监视系统、运动检测系统等。现在参见图1，示例性成像系统可包括电子设备，诸如被配置为捕获图像数据的数字相机105。例如，成像系统可包括通过总线115与各种设备通信的中央处理单元(CPU)110。连接到总线115的一些设备可提供进出系统的通信，例如输入/输出(I/O)设备120。成像系统可被配置为使用低光度信号和高光度信号来构建数字高动态范围(HDR)图像。成像系统还可包括用于观看数字图像的显示屏(未示出)。显示屏可耦接到总线115并被配置为从该总线发送和/或接收信息，诸如图像数据。连接到总线115的其他设备可包括存储器125，例如随机存取存储器(RAM)和/或可移动存储器130，诸如USB驱动器、存储卡、SD卡等。虽然总线115被示为单条总线，但可使用任何数量的总线来提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法，其特征在于包括：在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；在所述光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将所述空穴电荷转移到电容器；使用第一读出电路将所述电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及使用第二读出电路将所述空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。

【技术特征摘要】
2018.03.22 US 15/928,4501.一种用于操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法，其特征在于包括：在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；在所述光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将所述空穴电荷转移到电容器；使用第一读出电路将所述电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及使用第二读出电路将所述空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。2.根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其特征还在于包括：将所述电子生成的输出电压转换成等效的第一数字值；将所述空穴生成的输出电压转换成等效的第二数字值；以及组合所述第一数字值和所述第二数字值，以形成单个高动态范围数字信号。3.根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其特征在于所述图像传感器在将所述电子电荷转换成所述电子生成的输出电压之前，将所述空穴电荷转换成所述空穴生成的输出电压。4.一种固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于包括：像素电路阵列，每个像素电路包括：光电二极管；浮体区；电容器，所述电容器连接到所述浮体区和接地电势；电荷溢出结构，所述电荷溢出结构包括连接到所述光电二极管的漏极，并被配置为：将具有第一极性的电荷从所述光电二极管转移到所述漏极；并且在所述光电二极管已经达到预定电荷阈值之后，将相反极性的对应电荷转移到所述电容器；第一读出电...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·希内塞克，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US