具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列制造技术

本申请涉及一种具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列。一种像素单元包含第二光电二极管，所述第二光电二极管在半导体材料中横向环绕第一光电二极管。所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷。浮动扩散部安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界。第一转移栅极接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方。所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管。第二转移栅极接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方。所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。

Pixel Array with Embedded Split Pixels for High Dynamic Range Imaging

【技术实现步骤摘要】
具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列
本专利技术一般来说涉及图像传感器，且更具体来说，本专利技术针对于高动态范围图像传感器。
技术介绍
标准图像传感器具有大约60dB到70dB的有限动态范围。然而，真实世界的明度动态范围大得多。举例来说，自然场景通常横跨90dB及90dB以上的范围。为同时俘获明亮高光及暗淡阴影中的细节，图像传感器中已使用高动态范围(HDR)技术来增大所俘获动态范围。增大动态范围的最常见技术是将使用标准(低动态范围)图像传感器以不同曝光设定捕获的多个曝光合并成单一线性HDR图像，此产生比单一曝光图像大得多的动态范围图像。另一HDR技术将不同曝光积分时间或不同光敏性(举例来说，通过插入中性密度滤光器)并入到单个图像传感器中。单个图像传感器在单个图像传感器中实际上可具有2个、3个、4个或甚至更多个不同曝光。因此，多个曝光图像可使用此HDR图像传感器在单次拍摄中获得。然而，与正常全分辨率图像传感器相比，使用此HDR传感器会降低总体图像分辨率。举例来说，对于将4个不同曝光组合于一个图像传感器中的HDR传感器，每一HDR图像将是全分辨率图像的仅四分之一分辨率。实施HDR图像传感器的其它方法呈现许多其它挑战。这些其它方法并非空间高效的，且难以小型化到较小间距以实现更高分辨率。另外，由于这些HDR图像传感器中的许多传感器的不对称布局，因此减小像素的大小及间距来实现高分辨率图像传感器会产生串扰及其它不希望副作用，例如在间距被减小时可发生于这些图像传感器中的对角线耀斑。此外，许多HDR图像传感器需要具有极大全阱容量(FWC)的结构来适应大动态范围。然而，大FWC要求导致滞后、白色像素(WP)、暗电流(DC)及其它不希望问题。因此，这些其它HDR成像方法因难以缩放的高FWC要求也不适合用于高分辨率。
技术实现思路
根据一个实施例，本专利技术提供一种像素单元，所述像素单元包括：第一光电二极管，其安置在半导体材料中；第二光电二极管，其安置在所述半导体材料中，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。根据另一实施例，本专利技术提供一种高动态范围(HDR)成像系统，所述HDR成像系统包括：像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含：第一光电二极管，其安置在半导体材料中；第二光电二极管，其安置在所述半导体材料中，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部；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多个像素读出图像数据。附图说明参考下图描述本专利技术的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则贯穿各个视图，相似元件符号是指相似部件。图1是根据本专利技术的教示的图解说明实例性高动态范围(HDR)成像系统的框图，所述HDR成像系统使用具有嵌入式分裂二极管像素单元的像素阵列来检测高强度照明。图2是根据本专利技术的教示的具有嵌入式分裂二极管的实例性像素单元的说明性示意图。图3是根据本专利技术的教示的实例性嵌入式分裂二极管像素单元的布局视图。图4是根据本专利技术的教示的实例性嵌入式分裂二极管像素单元的横截面图。图5A-5C展示根据本专利技术的教示的用以制造嵌入式分裂二极管像素单元中所包含的实例性微透镜的实例性工艺的横截面图。图6是根据本专利技术的教示的图解说明实例性嵌入式分裂二极管像素单元中的信号的时序图。贯穿图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改善对本专利技术的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被放大。此外，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本专利技术的这各种实施例的较不受阻碍的观看。具体实施方式揭示针对于具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂二极管像素单元的像素阵列的方法及设备。在以下说明中，陈述众多具体细节以提供对本专利技术的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述具体细节中的一或多者的情况下实践，或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本专利技术的至少一个实例中。因此，在本说明书通篇的各个地方中出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必全部是指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。贯穿本说明书，使用数个术语。这些术语将呈现其在其所属领域中的普通含义，除非本文中另外具体定义或其使用的上下文将另外清晰地表明。应注意，在本文档中，元件名称及符号可互换地使用(例如，Si与硅)；然而，其两者具有相同含义。如将展示，揭示包含可用于高动态范围成像的嵌入式分裂二极管的像素单元的实例。在各种实例中，嵌入式分裂二极管结构包含以与其它已知分裂二极管设计相比具有增大的对称性的布局嵌入大光电二极管中的小光电二极管，这会减少可因相邻像素单元之间的串扰而发生的对角线耀斑问题。在将小光电二极管嵌入大光电二极管中的情况下，空间得到更高效使用，从而允许更小间距及更高分辨率的高动态范围(HDR)像素阵列。如将展示，根据本专利技术的教示，小光电二极管可用于感测明亮或高强度光条件，而大光电二极管可用于感测较暗淡的低到中等强度光条件，以实现HDR成像。为进行图解说明，图1图解说明根据本专利技术的教示的图解说明实例性HDR系统1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素单元，其包括：第一光电二极管，其安置在半导体材料中；第二光电二极管，其安置在所述半导体材料中，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。

【技术特征摘要】
2018.03.02 US 15/910,8831.一种像素单元，其包括：第一光电二极管，其安置在半导体材料中；第二光电二极管，其安置在所述半导体材料中，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。2.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括：第一p阱区域，其安置在所述半导体材料中介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管彼此隔离；及第二p阱区域，其安置在所述半导体材料中环绕所述第二光电二极管，以隔离所述第二光电二极管。3.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括浅沟槽隔离STI区域，所述STI区域安置在所述半导体材料中介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管彼此隔离。4.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第二光电二极管在所述第二光电二极管的与所述第一转移栅极及所述第二转移栅极横向相对的侧上的区域中包含间隙，使得所述第二光电二极管中的掺杂剂浓度远离所述第一转移栅极及所述第二转移栅极朝向所述间隙而减小。5.根据权利要求4所述的像素单元，其中所述间隙从所述第二光电二极管的输出周界朝向所述第二光电二极管的所述内周界横向延伸。6.根据权利要求5所述的像素单元，其中所述间隙从所述第二光电二极管的所述外周界完全地延伸到所述第二光电二极管的所述内周界。7.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述入射光穿过所述半导体材料的背侧被引导到所述第一光电二极管及所述第二光电二极管。8.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第一光电二极管是n型钉扎光电二极管NPPD，所述NPPD包括：浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述半导体材料的前侧；及深区域，其位于所述半导体材料中，在所述浅区域下面且介于所述第一光电二极管的所述浅区域与所述半导体材料的背侧之间，且其中所述第二光电二极管是n型钉扎光电二极管NPPD，所述NPPD包括：第一浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述间隙且接近所述半导体材料的所述前侧；及第二浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述第一转移栅极及所述第二转移栅极且接近所述半导体材料的所述前侧；及深区域，其位于所述半导体材料中，在所述第二光电二极管的所述第一浅区域及所述第二浅区域下面且介于所述第一浅区域及所述第二浅区域与所述半导体材料的所述背侧之间。9.根据权利要求8所述的像素单元，其中所述第二光电二极管的所述第二浅区域包含虚拟相位植入，使得所述第二光电二极管的所述第二浅区域具有比所述第二光电二极管的所述第一浅区域高的掺杂剂浓度，从而促成所述第二光电二极管中的电场梯度，所述电场梯度在所述第二光电二极管中将电子朝向所述第一转移栅极及所述第二转移栅极而驱动。10.根据权利要求7所述的像素单元，其进一步包括背侧深沟槽隔离BDTI结构，所述BDTI结构安置在所述半导体材料中，从所述半导体材料的所述背侧朝向所述半导体材料的前侧延伸，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管隔离。11.根据权利要求7所述的像素单元，其进一步包括微透镜，所述微透镜安置在所述半导体材料的所述背侧上方且在所述第一光电二极管及所述第二光电二极管上方居中，其中所述微透镜具有马鞍形横截面，所述马鞍形横截面包含：较薄内区域，其在所述第一光电二极管上方对准，使得通过所述较薄内区域的所述入射光从所述微透镜被引导穿过所述半导体材料的所述背侧进入到所述第一光电二极管中；及较厚外区域，其环绕所述较薄内区域且在所述第二光电二极管上方对准，使得通过所述较厚外区域的所述入射光由所述微透镜聚焦穿过所述半导体材料的所述背侧进入到所述第二光电二极管中。12.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括：复位晶体管，其耦合到所述浮动扩散部以响应于复位信号而将所述像素单元复位；放大器晶体管，其具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子以响应于所述浮动扩散部中的所述图像电荷而产生图像数据信号；及行选择晶体管，其耦合到所述放大器晶体管以响应于行选择信号而将所述图像数据信号输出到输出位线。13.根据权利要求12所述的像素单元，其进一步包括：双浮动扩散晶体管，其耦合在所述浮动扩散部与所述复位晶体管之间；及电容器，其耦合到所述双浮动扩散晶体管，其中所述双浮动扩散晶体管适于响应于双浮动扩散信号而将所述电容器耦合到所述浮动扩散部。14.根据权利要求12所述的像素单元，其中所述复位晶体管、所述第一转移栅极及所述第二转移栅极全部适于被接通，且接着在所述入射光积分于所述第一光电二极管及所述第二光电二极管中之前被同时关断，以将所述浮动扩散部以及所述第一光电二极管及所述第二光电二极管复位。15.根据权利要求14所述的像素单元，其中所述第二转移栅极适于被接通，且接着在所述入射光由所述第二光电二极管积分之后被关断，以读出所述第二光电二极管中光生的所述图像电荷，以进行较低强度入射光从所述第二光电二极管的高转换增益HCG读出。16.根据权利要求15所述的像素单元，其中所述第一转移栅极及所述第二转移栅极进一步适于在所述较低强度入射光从所述第二光电二极管的所述HCG读出之后且在所述入射光由所述第一光电二极管积分之后被同时接通，以将所述第一光电二极管中光生的所述图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨大江，詹智勇，陆震伟，毛杜立，王昕，马渕圭司，
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