全局快门图像传感器制造技术

提供了图像传感器的示例。在一个示例中，像素单元包括第一半导体晶片、采样电容器和可以包括采样电容器的第二半导体晶片。第一半导体晶片包括光电二极管和电荷感测器件。第二半导体晶片与第一半导体晶片形成叠层，第二半导体晶片包括与光电二极管、电荷感测器件和采样电容器耦合的接口电路。接口电路被配置成：启用光电二极管以在积分周期内响应于入射光累积电荷；将电荷从光电二极管转移到电荷感测器件；使用采样电容器执行采样保持操作，以将电荷感测器件中的电荷转换成电压；以及基于该电压生成数字输出，以表示由光电二极管接收的入射光的强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】全局快门图像传感器背景本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元(pixelcell)结构，用于确定用于图像生成的光强度。典型的图像传感器包括光电二极管阵列，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。为了减少图像失真，可以执行全局快门(globalshutter)操作，其中光电二极管阵列中的每个光电二极管同时感测入射光以生成电荷。由光电二极管阵列生成的电荷然后可以由模数转换器(ADC)量化为数字值以生成图像。概述本公开涉及图像传感器。更具体地且没有限制地，本公开涉及像素单元。本公开还涉及操作像素单元的电路以生成入射光强度的数字表示。在一个示例中，提供了一种像素单元。像素单元包括第一半导体晶片(die)，该第一半导体晶片包括光电二极管和电荷感测器件。像素单元还包括采样电容器和与第一半导体晶片形成叠层(stack)的第二半导体晶片，该第二半导体晶片包括与光电二极管、电荷感测器件和采样电容器耦合的接口电路。接口电路被配置成：启用光电二极管以在积分周期内响应于入射光累积电荷；将电荷从光电二极管转移到电荷感测器件；使用采样电容器执行采样保持操作(sample-and-holdoperation)，以将电荷感测器件中的电荷转换成电压；以及基于该电压生成数字输出，以表示由光电二极管接收的入射光的强度。在一些方面，像素单元还包括耦合在电荷感测器件和采样电容器之间的采样开关。接口电路被配置成，作为采样保持操作的一部分：启用采样开关，以使采样电容器对电荷感测器件中累积的电荷进行采样，从而产生电压；以及禁用采样开关，以使采样电容器保持电压。在一些方面，电压是第一电压。电荷感测器件被配置成基于存储的电荷来输出第二电压。像素单元还包括耦合在电荷感测器件和采样电容器之间的电压缓冲器，该电压缓冲器被配置成缓冲第二电压以将第一电压输出到采样电容器。采样电容器被操作以在采样开关被启用时对从电压缓冲器接收的第一电压进行采样，并且在采样开关被禁用之后保持第一电压。在一些方面，采样开关和电压缓冲器被包括在第一半导体晶片中。在一些方面，采样电容器包括以下至少一项：夹在叠层中的第一半导体晶片和第二半导体晶片之间的金属电容器或半导体电容器，或者形成在第二半导体晶片中的金属电容器或半导体电容器。在一些方面，接口电路还包括可复位的比较器。像素单元还包括耦合在采样电容器和比较器之间的AC电容器。接口电路被配置成当采样开关被启用时：控制比较器进入复位状态；操作AC电容器以：获得由电荷感测器件的先前复位操作引起的该电荷感测器件的复位电压的第一样本；在比较器处于复位状态时，获得该比较器的偏移的第二样本；基于复位电压的第一样本和偏移的第二样本，存储AC电容器两端的第三电压；以及基于第一电压和第三电压来向比较器输出第四电压。基于第四电压生成数字输出。在一些方面，像素单元还包括耦合在光电二极管和电荷感测器件之间的转移开关。接口电路被配置成：控制比较器退出复位状态以保持AC电容器两端的第三电压；启用转移开关以将电荷从光电二极管转移到电荷感测器件，其中电荷的转移在采样电容器处产生第一电压；以及禁用转移开关以停止电荷的转移，其中禁用转移开关导致采样电容器保持第一电压并且AC电容器保持第四电压用于生成数字输出。在一些方面，像素单元的比较器的输出端与存储器耦合。存储器与计数器耦合，计数器被配置成基于时钟周期性地更新计数值。比较器被配置成在转移开关被禁用之后，将第四电压与斜坡阈值(rampingthreshold)进行比较以输出判定(decision)。存储器被配置成基于该判定来存储来自计数器的计数值。所存储的计数值表示数字输出。在一些方面，像素单元还包括耦合在比较器的输出端和存储器之间的选择开关。接口电路被配置成：当像素单元被选择来将数字输出存储在存储器中时，启用选择开关以将判定传输到存储器；以及当像素单元未被选择来将数字输出存储在存储器中时，禁用选择开关以从存储器阻挡判定。在一些方面，存储器和计数器被包括在第二半导体晶片中。在一些方面，像素单元还包括耦合在光电二极管和电荷吸收器(chargesink)之间的快门开关。接口电路被配置成：禁用快门开关以开始积分周期，并启用光电二极管以累积电荷，以及启用快门开关以结束积分周期，并防止光电二极管累积电荷。在一些方面，电荷感测器件包括以下至少一项：浮置漏极节点(floatingdrainnode)或钉扎存储节点(pinnedstoragenode)。在一些示例中，提供了一种图像传感器。图像传感器包括第一半导体晶片，该第一半导体晶片包括光感测电路阵列，光感测电路阵列中的每个光感测电路包括光电二极管和电荷感测器件。图像传感器还包括采样电容器阵列，采样电容器阵列中的每个采样电容器对应于光感测电路阵列中的光感测电路。图像传感器还包括与第一半导体晶片形成叠层的第二半导体晶片，第二半导体晶片包括接口电路阵列，接口电路阵列中的每个接口电路、光感测电路阵列中的每个光感测电路以及采样电容器阵列中的每个采样电容器形成像素单元。每个像素单元的每个接口电路被配置成：启用相应的光感测电路的光电二极管，以在全局积分周期内响应于入射光累积电荷；将电荷从光电二极管转移到相应的光感测电路的电荷感测器件；使用相应的采样电容器对存储在电荷感测器件中的电荷执行采样保持操作，以获得电压；以及基于该电压生成数字输出，以表示由相应的像素单元接收的入射光的强度。在一些方面，在每个像素单元中：光感测电路还包括耦合在电荷感测器件和采样电容器之间的采样开关。接口电路被配置成，作为采样保持操作的一部分：启用采样开关，以使采样电容器对存储在电荷感测器件中的电荷进行采样，从而产生电压；以及禁用采样开关，以使采样电容器保持电压。在一些方面，在每个像素单元中：电压是第一电压。电荷感测器件被配置成基于所存储的电荷输出第二电压。光感测电路还包括耦合在电荷感测器件和采样电容器之间的电压缓冲器，该电压缓冲器被配置成缓冲第二电压以将第一电压输出到采样电容器。采样电容器被操作以在采样开关被启用时对从电压缓冲器接收的第一电压进行采样，并且在采样开关被禁用之后保持第一电压。在一些方面，在每个像素单元中：每个接口电路还包括可复位的比较器。每个光感测电路还包括耦合在采样电容器和比较器之间的AC电容器。每个接口电路被配置成当采样开关被启用时：控制比较器进入复位状态；操作AC电容器以：获得由电荷感测器件的先前复位操作引起的该电荷感测器件的复位电压的第一样本；在比较器处于复位状态时，获得该比较器的偏移的第二样本；基于复位电压的第一样本和偏移的第二样本，存储AC电容器两端的第三电压；以及基于第一电压和第三电压，向比较器输出第四电压。基于第四电压生成数字输出。在一些方面，每个光感测电路还包括耦合在光电二极管和电荷感测器件之间的转移开关。每个接口电路被配置成：控制比较器退出复位状态，以保持AC电容器两端的第三电压；启用转移开关以将电荷从光电二极管转移到电荷感测器件，其中电荷的转移在采样电容器处产生第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素单元，包括：/n第一半导体晶片，所述第一半导体晶片包括光电二极管和电荷感测器件；/n采样电容器；/n第二半导体晶片，其与所述第一半导体晶片形成叠层，所述第二半导体晶片包括与所述光电二极管、所述电荷感测器件和所述采样电容器耦合的接口电路，所述接口电路被配置成：/n启用所述光电二极管以在积分周期内响应入射光累积电荷；/n将所述电荷从所述光电二极管转移到所述电荷感测器件；/n使用所述采样电容器执行采样保持操作，以将所述电荷感测器件中的电荷转换成电压；以及/n基于所述电压生成数字输出，以表示由所述光电二极管接收的入射光的强度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180403 US 62/652,220;20190329 US 16/369,7631.一种像素单元，包括：
第一半导体晶片，所述第一半导体晶片包括光电二极管和电荷感测器件；
采样电容器；
第二半导体晶片，其与所述第一半导体晶片形成叠层，所述第二半导体晶片包括与所述光电二极管、所述电荷感测器件和所述采样电容器耦合的接口电路，所述接口电路被配置成：
启用所述光电二极管以在积分周期内响应入射光累积电荷；
将所述电荷从所述光电二极管转移到所述电荷感测器件；
使用所述采样电容器执行采样保持操作，以将所述电荷感测器件中的电荷转换成电压；以及
基于所述电压生成数字输出，以表示由所述光电二极管接收的入射光的强度。


2.根据权利要求1所述的像素单元，其中：
所述像素单元还包括耦合在所述电荷感测器件和所述采样电容器之间的采样开关；以及
所述接口电路被配置成作为所述采样保持操作的一部分：
启用所述采样开关，以使所述采样电容器对所述电荷感测器件中累积的电荷进行采样，从而产生所述电压；以及
禁用所述采样开关，以使所述采样电容器保持所述电压。


3.根据权利要求2所述的像素单元，其中：
所述电压是第一电压；
所述电荷感测器件被配置成基于所存储的电荷来输出第二电压；
所述像素单元还包括耦合在所述电荷感测器件和所述采样电容器之间的电压缓冲器，所述电压缓冲器被配置成缓冲所述第二电压以将所述第一电压输出到所述采样电容器；以及
所述采样电容器被操作以在所述采样开关被启用时对从所述电压缓冲器接收的第一电压进行采样，并且在所述采样开关被禁用之后保持所述第一电压。


4.根据权利要求3所述的像素单元，其中，所述采样开关和所述电压缓冲器被包括在所述第一半导体晶片中。


5.根据权利要求4所述的像素单元，其中，所述采样电容器包括以下至少一项：
夹在所述叠层中的所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片之间的金属电容器或半导体电容器，或者
形成在所述第二半导体晶片中的金属电容器或半导体电容器。


6.根据权利要求4所述的像素单元，其中：
所述接口电路还包括能够复位的比较器；
所述像素单元还包括耦合在所述采样电容器和所述比较器之间的AC电容器；
所述接口电路被配置成，在所述采样开关被启用时：
控制所述比较器进入复位状态；
操作所述AC电容器以：
获得由所述电荷感测器件的先前复位操作引起的所述电荷感测器件的复位电压的第一样本；
在所述比较器处于所述复位状态时，获得所述比较器的偏移的第二样本；
基于所述复位电压的第一样本和所述偏移的第二样本，存储所述AC电容器两端的第三电压；以及
基于所述第一电压和所述第三电压，向所述比较器输出第四电压；
以及
基于所述第四电压生成所述数字输出。


7.根据权利要求6所述的像素单元，还包括耦合在所述光电二极管和所述电荷感测器件之间的转移开关；
其中，所述接口电路被配置成：
控制所述比较器退出所述复位状态，以保持所述AC电容器两端的第三电压；
启用所述转移开关以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述电荷感测器件，其中，所述电荷的转移在所述采样电容器处产生所述第一电压；以及
禁用所述转移开关以停止所述电荷的转移，其中，所述转移开关的禁用导致所述采样电容器保持所述第一电压并且导致所述AC电容器保持所述第四电压以生成所述数字输出。


8.根据权利要求7所述的像素单元，其中：
所述比较器的输出端与存储器耦合；
所述存储器与计数器耦合，所述计数器被配置成基于时钟周期性地更新计数值；
所述比较器被配置成在所述转移开关被禁用之后，将所述第四电压与斜坡阈值进行比较以输出判定；
所述存储器被配置成基于所述判定来存储来自所述计数器的计数值；以及
所存储的计数值表示所述数字输出。


9.根据权利要求8所述的像素单元，还包括耦合在所述比较器的输出端和所述存储器之间的选择开关；并且
其中，所述接口电路被配置成：
在所述像素单元被选择来将所述数字输出存储在所述存储器中时，启用所述选择开关以将所述判定传输到所述存储器；以及
在所述像素单元未被选择来将所述数字输出存储在所述存储器中时，禁用所述选择开关以从所述存储器阻挡所述判定。


10.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述存储器和所述计数器被包括在所述第二半导体晶片中。


11.根据权利要求1所述的像素单元，还包括耦合在所述光电二极管和电荷吸收器之间的快门开关，
其中，所述接口电路被配置成：
禁用所述快门开关以开始所述积分周期，并启用所述光电二极管以累积所述电荷；以及
启用所述快门开关以结束所述积分周期，并防止所述光电二极管累积所述电荷。


12.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述电荷感测器件包括以下至少一项：浮置漏极节点或钉扎存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新桥，陈松，
申请(专利权)人：脸谱科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US