可缩放像素大小图像传感器制造技术

通过对与相应光电检测元件相关联的像素内传输门和耦合在针对光电检测元件的相应簇的传输门与共享复位节点之间的分档晶体管的读出时间控制，集成电路像素阵列内的光电检测元件能够动态地配置为至少三个均匀纵横比、大小缩放的像素覆盖区中的任何一个。小缩放的像素覆盖区中的任何一个。小缩放的像素覆盖区中的任何一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可缩放像素大小图像传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年11月20日提交的美国临时申请号62/938,203的优先权，并将其引入作为参考。


[0003]本公开中涉及集成电路图像传感器。
附图说明
[0004]在附图中，通过示例而非限制的方式示出了本文所公开的各种实施例，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，其中：
[0005]图1示出了具有大小可缩放像素阵列的图像传感器的一个实施例；
[0006]图2示出了由图1的行控制器生成的控制信号的示例性序列，以使能具有最小像素大小和最大转换增益的曝光后相关双采样(CDS)读出；
[0007]图3示出了由图1的行控制器生成的控制信号的示例性序列，以在中间像素大小和最大转换增益下使能曝光后CDS读出；
[0008]图4示出了在最大像素大小和最大x4
‑
间距转换增益下使能曝光后CDS读出的示例性控制信号序列。
[0009]图5示出了在x4
‑
间距(最大像素大小)读出期间可以选择的交替高转换增益和低转换增益，显示了增益相关电容的简化电路模型；
[0010]图6示出了连续x4
‑
间距高增益和低增益CDS读出执行，以获得低光敏度(高增益读出)和亮光差异(低增益读出)的益处；
[0011]图7示出了x4
‑
间距两相(双增益/双电荷转移)读出的示例性电荷转移图；
[0012]图8示出了关于x4
‑<br/>间距(最大大小)像素的备选多增益读出的示例性电荷转移图，其中在任一增益配置的信号状态采样之前执行关于两种增益配置的复位状态采样，并且其中光电荷在连续的电荷转移操作中累积地转移到集合源跟随器电容中；
[0013]图9示出了在x2
‑
间距和x1
‑
间距(中间和最小像素大小)读出期间可以选择的九个转换增益的示例性集合；
[0014]图10示出了产生具有双(两个不同)转换增益的CDS读出的示例性x2
‑
间距读出控制序列；
[0015]图11示出了在高转换收益、中转换收益和低转换增益下产生CDS读出的示例性x2
‑
间距读出控制序列；
[0016]图12示出了针对x2(中间)像素配置的一个备选三增益读出序列，其实施基本上参考图8描述的累积电荷转移操作；
[0017]图13示出了调制曝光读出序列，其可应用于增加本文公开的像素大小可缩放图像传感器实施例中的动态范围；
[0018]图14示出了针对图13所示的调制曝光时间，净输出信号电压电平对增加的光子通
量密度的示例图；
[0019]图15示出了在单独的子像素的情况下图13的按比例缩放的累积间隔方法；
[0020]图16示出了图1的像素阵列架构的摘录，显示了示例性滤色器阵列(CFA)的组成元件和微透镜阵列的组成微透镜，该微透镜阵列可以设置在像素阵列上方以实现色敏光学系统；
[0021]图17和18示出了图1的像素单元的备选实施例，其分别具有单个四向共享输出节点和一对双向共享输出节点；
[0022]图19A－19G示出了可在图1像素架构内采用的读出序列的非详尽实例；以及
[0023]图20示出了具有二进制加权的独立切换的动态转换增益电容的备选像素单元结构，以使能附加电容的编程选择。
具体实施方式
[0024]在此处公开的各种实施例中，集成电路像素阵列内的光电检测元件可动态地配置为至少三个均匀纵横比、大小缩放的像素覆盖区中的任何一个。在那些均匀纵横比的实施例和其它实施例中，通过对与相应光电检测元件相关联的像素内传输门和耦合在针对光电检测元件的相应簇的传输门与共享复位节点之间的分档晶体管的读出时间控制，集成电路像素阵列内的光电检测元件能够动态地配置为至少三个均匀纵横比、大小缩放的像素覆盖区中的任何一个
‑
一种布置，其中每个分档晶体管将用于相应光电检测元件簇的浮动扩散节点与共享复位晶体管的PVT
‑
敏感(工艺电压温度敏感)漏极电容屏蔽开(减小给定浮动扩散节点处的净电容并且因此增加转换增益和降低用于小信号电平的读取噪声)。在使能均匀纵横比大小缩放的实施例中，分档晶体管互连的光电检测元件簇具有与每个单独的光电检测元件簇的纵横比和每个单独的光电检测元件的纵横比相匹配(或在标称上匹配)的集合纵横比。因此，读出信号可以专门响应于(i)在单独的光电检测元件内累积的光电荷以实现最小有效像素大小(像素阵列内的最大空间分辨率)，(ii)在光电检测元件簇内集合累积的光电荷以实现更大的有效像素大小，以及(iii)在多个分档晶体管互连的光电检测元件簇内集合累积的光电荷以实现更大的最大有效像素大小(像素阵列内的最小空间分辨率)而被生成。在其它实施例中，在高分辨率读出(即，小于最大有效像素大小的任何读出)期间选择性地激活分档晶体管以实现可变转换增益，包括具有相应转换增益的每次曝光的多个读出。为了进一步扩展可选转换增益的范围和/或分辨率，一个或多个附加的电容元件可以经由(多个)动态转换增益晶体管耦合到共享复位节点(与复位晶体管并联或串联)。在多个实施例中，附加的晶体管开关电容是可编程地可缩放的，以使能可选转换增益的运行时间校准。在其它实施例中，对于扩展动态范围的光电检测元件的子集执行光电荷清除/转存操作。下面进一步详细讨论这些和其它特征和实施例。
[0025]图1示出了图像传感器100的实施例，图像传感器100具有大小可缩放像素阵列101、滤色器阵列103(覆盖在大小可缩放像素阵列上)、行信号发生器105和列读出电路107。参考示意图110和相应的布局图112，每个大小可缩放的“像素单元”120包括设置在像素单元的相应象限中的四个光电检测元件簇115。给定簇内的四个光电检测元件中的每个光电检测元件(由“SWn”表示，其中SW指光电检测元件的光电荷存储阱，而“n”指光电检测元件索引，范围从1到16)经由相应的传输门(TGn)耦合到针对簇的共享浮动扩散节点(FD1针对左
上簇，FD2针对右上簇，FD3针对左下簇并且FD4针对右下簇)，并且每簇浮动扩散节点经由相应的分档晶体管117耦合到共用/共享复位节点120。在所示的实施例中，每个分档晶体管由相应的每像素行分档信号(BIN1、BIN2、BIN3、BIN4)控制，尽管在备选实施例中单个分档信号可以控制所有四个分档晶体管。每个光电检测元件簇和相关传输门的浮动扩散节点耦合到相应的放大器晶体管121，放大器晶体管121通过读取选择晶体管123驱动相应的每簇输出线(即OUT1、OUT2、OUT3、OUT4)。如阴影区域130所示，每个单独的光电检测元件连同其传输门(TG)和TG
‑
互连的浮动扩散节点，读出电路(由晶体管121、123实现)，分档晶体管117，复位节点120，复位晶体管125(以及可选的动态转换增益电容127和晶体管129)在这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种集成电路像素，包括：多个光电检测元件；多个读出电路，每个所述读出电路具有：浮动扩散节点；耦合在所述浮动扩散节点与所述光电检测元件中的一个光电检测元件之间的第一传输门；以及放大器晶体管，所述放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散节点的栅极端；共享复位节点；复位晶体管，所述复位晶体管耦合在所述共享复位节点与复位电压供应之间；以及多个分档晶体管，每个所述分档晶体管耦合在所述共享复位节点与所述读出电路中的相应的读出电路的所述浮动扩散节点之间。2.根据权利要求1所述的集成电路像素，其中所述多个读出电路中的每个读出电路包括三个附加的传输门，每个所述附加的传输门耦合在所述读出电路的所述浮动扩散节点与所述光电检测元件中的相应的光电检测元件之间，使得所述读出电路中的每个读出电路被耦合到相应的一组四个所述光电检测元件，并且其中每组四个光电检测元件具有集合纵横比，所述集合纵横比在标称上匹配所述一组四个光电检测元件内的单独的光电检测元件的纵横比。3.根据权利要求2所述的集成电路像素，其中所述多个读出电路包括分别耦合到四组四个所述光电检测元件的四个读出电路，并且其中所述四组四个光电检测元件具有集合纵横比，所述集合纵横比在标称上匹配每个相应组的四个所述光电检测元件的所述纵横比。4.根据权利要求1所述的集成电路像素，进一步包括电容元件、以及耦合在所述电容元件与所述共享复位节点之间的增益控制晶体管。5.根据权利要求4所述的集成电路像素，其中所述增益控制晶体管被耦合在所述共享复位节点与所述复位晶体管之间，使得所述复位晶体管和所述增益控制晶体管两者必须被呈现为漏极到源极导通状态，以经由所述复位电压供应对所述共享复位节点充电。6.一种集成电路图像传感器，包括根据权利要求4所述的集成电路像素，并且进一步包括控制信号发生器以用于：分别在多阶段读出操作的连续的第一阶段、第二阶段和第三阶段期间，在所述第一传输门的栅极端处断言第一传输门脉冲、第二传输门脉冲和第三传输门脉冲，所述第一传输门脉冲、所述第二传输门脉冲和所述第三传输门脉冲中的每个传输门脉冲使能从所述光电检测元件中的所述一个光电检测元件到所述浮动扩散节点的光电荷转移；在所述多阶段读出操作的所述第一阶段期间，将所述分档晶体管和所述增益控制晶体管维持在非导通状态，以实现针对由所述第一传输门脉冲使能的所述光电荷转移的第一转换增益；在所述多阶段读出操作的所述第二阶段期间，将所述分档晶体管中的至少一个分档晶体管切换至导通状态，并且将所述增益控制晶体管维持在所述非导通状态，以实现针对由所述第二传输门脉冲使能的所述光电荷转移的第二转换增益，所述第二转换增益比所述第一转换增益低；以及在所述多阶段读出操作的所述第三阶段期间，当所述分档晶体管中的所述至少一个分
档晶体管处于所述导通状态时，将所述增益控制信号切换至所述导通状态，以实现针对由所述第三传输门脉冲使能的所述光电荷转移的第三转换增益，所述第三转换增益比所述第二转换增益低。7.一种集成电路图像传感器，包括根据权利要求1所述的集成电路像素，并且进一步包括控制信号发生器以用于：分别在多阶段读出操作的连续的第一阶段和第二阶段期间，在所述第一传输门的栅极端处断言第一传输门脉冲和第二传输门脉冲，所述第一传输门脉冲和所述第二传输门脉冲中的每个传输门脉冲使能从所述光电检测元件中的所述一个光电检测元件到所述浮动扩散节点的光电荷转移；在所述多阶段读出操作的所述第一阶段期间，将所述分档晶体管维持在非导通状态，以实现针对由所述第一传输门脉冲使能的所述光电荷转移的第一转换增益；以及在所述多阶段读出操作的所述第二阶段期间，将所述分档晶体管中的至少一个分档晶体管切换至导通状态，以实现针对由所述第二传输门脉冲使能的所述光电荷转移的第二转换增益，所述第二转换增益比所述第一转换增益低。8.根据权利要求7所述的集成电路图像传感器，其中所述控制信号发生器在所述多阶段读出操作的所述第一阶段和所述第二阶段之前的第一复位间隔和第二复位间隔中的每个复位间隔期间，附加地断言所述复位晶体管上的控制脉冲、以及所述分档晶体管中的至少一个分档晶体管上的控制脉冲，以将所述复位电压供应耦合到所述读出电路中的至少一个读出电路的所述浮动扩散节点。9.根据权利要求7所述的集成电路图像传感器，其中所述控制信号发生器输出控制信号，以在曝光间隔内的时间交错偏移处复位所述多个光电检测元件。10.一种集成电路图像传感器，包括根据权利要求1所述的集成电路像素，并且进一步包括滤色器阵列，所述滤色器阵列具有设置在相应子组的所述光电检测元件之上的、并且组织成马赛克颜色图案的相应的滤色器元件。11.根据权利要求10所述的集成电路图像传感器，进一步包括微透镜阵列，所述微透镜阵列具有设置在所述光电检测元件中的每个光电检测元件之上的相应的微透镜元件。12.根据权利要求1所述的集成电路像素，其中所述多个读出电路中的每个读出电路被耦合到相应的输出线。13.一种在集成电路像素内操作的方法，所述集成电路像素具有多个光电检测元件、共享复位节点、多个浮动扩散节点、分别耦合到所述浮动扩散节点的多个读出电路、以及耦合在所述共享复位节点与所述浮动扩散节点中的相应的浮动...

【专利技术属性】
技术研发人员：马嘉驹，M，
申请(专利权)人：吉加焦特技术公司，
类型：发明
国别省市：