具有扩展动态范围的数字像素制造技术

公开了像素单元的示例。在一个示例中，像素单元可以包括第一半导体层，该第一半导体层包括光电二极管和被配置成将光电二极管生成的电荷转换成模拟信号的一个或更多个晶体管器件。像素单元还可以包括第二半导体层，该第二半导体层包括被配置成将模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件。第一半导体层和第二半导体层可以形成堆叠结构。在另一个示例中，像素单元可以包括光电二极管和电容器。像素单元可以在第一测量模式下操作，以在电容器与光电二极管电耦合时测量存储在电容器处的电荷，以及在第二测量模式下操作，以在电容器与光电二极管电隔离时测量存储在电容器处的电荷。

Digital pixel with extended dynamic range

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有扩展动态范围的数字像素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结构，该接口电路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，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。图像传感器还包括浮置节点(floatingnode)，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管生成的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，ADC可以将电压转换成表示入射光强度的数字值。传统上，电容器、缓冲器和ADC可以与光电二极管集成在同一半导体衬底上，其中ADC与光电二极管布置在同一侧，以减少布线和相关的寄生电容。ADC生成的数字值反映了在某个周期内存储在浮置节点处的电荷数量，该数字值可以与入射光的强度相关。然而，相关程度会受到不同因素的影响。首先，光电二极管生成的电荷的速率可以与入射光强度直接相关，直到光电二极管达到饱和极限，超过该极限，生成的电荷的速率可能变得停滞，或者至少不会随光强度线性增加。此外，在浮置节点处收集的电荷也包括与入射光强度无关的噪声电荷。噪声电荷的一个来源可以是暗电流，暗电流可以是由于晶体缺陷在光电二极管的p-n结处和连接到电容器的其他半导体器件的p-n结处生成的漏电流。暗电流可以流入电容器，并增加与入射光强度不相关的电荷。噪声电荷的另一个来源可能是由于与其他电路的电容耦合。噪声电荷可以确定可测量光强度的下限，而饱和极限可以确定图像传感器的可测量光强度的上限。上限和下限之间的比率定义了动态范围，该动态范围可以决定图像传感器的操作光强度的范围。可以基于由图像传感器阵列提供的强度数据来生成图像，每个图像传感器形成对应于图像像素的像素单元。像素单元阵列可以排列成行和列，每个像素单元生成电压，该电压表示与图像中的特定定位相关联的像素强度。阵列中包括的像素数量可以确定所生成图像的分辨率。电压可以由ADC转换成数字强度数据，并且图像可以基于每个像素的数字强度数据来被重建。由于ADC的尺寸和有限的可用面积，不可能将专用ADC与像素阵列的每个像素单元放置在同一侧上。结果，一些像素单元可能不得不轮流访问ADC以生成数字强度数据。例如，提供一组ADC来同时处理由一行内每个像素单元生成的电压。但是相邻行的像素单元可能必须轮流访问该组ADC。在一个示例中，为了生成图像，可以以滚动快门(rollingshuttering)方式对像素阵列进行操作，其中每个像素行暴露于入射光以顺序生成强度数据。例如，图像传感器的一个像素行可以在曝光周期中暴露于入射光。行内的每个像素单元可以基于曝光周期期间光电二极管生成的电荷来生成电压，并将该电压转发给ADC。ADC可以生成表示该像素行接收的入射光强度的一组数字数据。在为一个像素行生成该组数字数据之后，下一个像素行可以在随后的曝光周期中暴露于入射光，以生成另一组数字强度数据，直到所有像素行都已经暴露于入射光并具有输出强度数据。在又一个示例中，不同行像素的曝光时间可以有一些重叠，但是每行像素仍然需要轮流将从光电二极管电荷生成的电压转换成数字数据。可以基于每个像素行的数字强度数据来生成图像。可以在许多不同的应用中发现图像传感器。例如，图像传感器被包括在数字成像设备(例如，数码相机、智能电话等)中，以提供数字成像。作为另一个示例，图像传感器可以被配置为输入设备，以控制或影响设备的操作，例如控制或影响可佩戴虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)和/或混合现实(MR)系统中近眼显示器的显示内容。例如，图像传感器可以用于生成用户所处物理环境的物理图像数据。物理图像数据可以被提供给定位跟踪系统，该定位跟踪系统操作同步定位和映射(SLAM)算法来跟踪例如，物理环境中用户的定位、用户的定向(orientation)和/或用户的移动路径。图像传感器也可以用于生成包括用于测量物理环境中用户和对象之间距离的立体深度信息的物理图像数据。图像传感器也可以被配置为近红外(NIR)传感器。照明器可以将NIR光的图案投射到用户的眼球中。眼球的内部结构(例如，瞳孔)可以从NIR光生成反射图案。图像传感器可以捕获反射图案的图像，并将图像提供给系统以跟踪用户眼球的移动，从而确定用户的凝视点(gazepoint)。基于这些物理图像数据，VR/AR/MR系统可以生成并更新虚拟图像数据，用于经由近眼显示器向用户显示，以向用户提供交互式体验。例如，VR/AR/MR系统可以基于用户的凝视方向(这可以表示用户对对象的兴趣)、用户的定位等来更新虚拟图像数据。如上所讨论，传统上，ADC(和其他支持电路)可以与光电二极管布置在同一个半导体衬底上，以减少布线和相关的寄生电容。这种方法可能不太适用于可佩戴VR/AR/MR系统。首先，VR/AR/MR系统的不同位置处可能包括多个图像传感器，以提供物理环境的不同视场，实现更精确的用户定位/运动跟踪。由于可佩戴VR/AR/MR系统的形状因子有限，图像传感器中的每一个可能占据非常小的面积。将ADC与光电二极管放置在同一侧上，光电二极管的可用面积会减小。较小的光电二极管面积降低了图像传感器的总体光灵敏度，而总体光灵敏度对弱光环境应用至关重要。较小的光电二极管也限制了可以在光电二极管中收集的光子数量。结果，在低光强度下，光电二极管中收集的光子会被噪声电荷掩盖，这可能导致可测量光强度的范围减小，以及图像传感器的动态范围减小。此外，由于ADC电路通常占据传感器衬底总面积的大部分，由于形状因子的限制，图像传感器的每一个中可以包括少量像素单元，这降低了可用的分辨率。此外，在多个像素(例如，它们的整列)共享一个ADC的传感器架构中，用于生成图像的处理时间增加了。增加的处理时间也增加了基于图像的定位/眼球跟踪的延迟。另一方面，可佩戴VR/AR/MR系统可以在光强度范围非常宽的环境中操作。例如，可佩戴VR/AR/MR系统可以在室内环境或室外环境中和/或一天中的不同时间操作，并且可佩戴VR/AR/MR系统的操作环境的光强度可以变化明显。此外，可佩戴VR/AR/MR系统还可以包括前述的NIR眼球跟踪系统，其可能需要将非常低强度的光投射到用户的眼球中，以防止损伤眼球。结果，可佩戴VR/AR/MR系统的图像传感器可能需要具有宽的动态范围，以便能够在与不同操作环境相关联的非常宽的光强度范围上正确操作(例如，生成与入射光强度有关的输出)。可佩戴VR/AR/MR系统的图像传感器也可能需要以足够高的速度生成图像，以允许跟踪用户的定位、定向、凝视点等。具有相对有限动态范围并且以相对低的速度生成图像的图像传感器可能不适合于这种可佩戴VR/AR/MR系统。此外，通常难以优化用于光感测的半导体器件(例如，光电二极管、提供浮置节点用于电荷存储的晶体管器件等)和用于ADC的半导体器件，如果这些器件共享公共半导体衬底的话。这是因为用于光感测和ADC的半导体器件通常具有非常不同的性能目标，这可能导致公共半导体衬底的配置冲突。例如，希望减少负责光感测的半导体器件中的暗电流。如上所讨论，暗电流作为漏电流在这些半导体器件的p-n结处被生成。减少漏电流的一种方法是改变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素单元，包括：/n第一半导体层，其包括光电二极管和一个或更多个晶体管器件，所述一个或更多个晶体管器件被配置成将所述光电二极管生成的电荷转换成模拟信号，所述光电二极管占据所述第一半导体层中的第一区域；以及/n第二半导体层，其包括被配置成将所述模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件占据所述第二半导体层中的第二区域；/n其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层沿着轴线形成堆叠结构；并且/n其中，所述第一区域和所述第二区域沿着所述轴线至少部分地重叠。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170626 US 62/525,045;20170928 US 15/719,3451.一种像素单元，包括：
第一半导体层，其包括光电二极管和一个或更多个晶体管器件，所述一个或更多个晶体管器件被配置成将所述光电二极管生成的电荷转换成模拟信号，所述光电二极管占据所述第一半导体层中的第一区域；以及
第二半导体层，其包括被配置成将所述模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件占据所述第二半导体层中的第二区域；
其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层沿着轴线形成堆叠结构；并且
其中，所述第一区域和所述第二区域沿着所述轴线至少部分地重叠。


2.根据权利要求1所述的像素单元，
其中，所述第一半导体层包括第一表面和第二表面；
其中，所述第一半导体层包括布置在所述第二表面上的一个或更多个第一金属互连线；
其中，所述第二半导体层包括面向所述第二表面的第三表面；
其中，所述第二半导体层包括布置在所述第三表面上的一个或更多个第二金属互连线；并且
其中，所述像素单元还包括一个或更多个第三金属互连线，以提供所述一个或更多个第一金属互连线与所述一个或更多个第二金属互连线之间的电连接。


3.根据权利要求2所述的像素单元，其中，所述第一表面被配置成接收光子。


4.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述第一半导体层包括与所述第二半导体层不同的掺杂分布。


5.根据权利要求4所述的像素单元，其中，所述第一半导体层包括掺杂梯度，以在所述第一半导体层的第一表面和第二表面之间引入电场。


6.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述第一半导体层具有与所述第二半导体层不同的厚度。


7.根据权利要求6所述的像素单元，其中，所述第一半导体的厚度基于与预定频率相关联的光子的目标量子效率来被配置。


8.根据权利要求1所述的像素单元，
其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第一晶体管，所述第一晶体管具有与所述光电二极管耦合的源极端子、被配置为电容器的漏极端子、以及栅极端子，所述栅极端子可操作来控制所述光电二极管生成的电子流向所述电容器；
其中，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括数模转换器，所述数模转换器被配置成基于所述第一晶体管的漏极端子处的模拟电压生成所述一个或更多个数字信号。


9.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述数模转换器包括计数器、存储器和电压比较器；
其中，所述存储器被配置成存储由所述计数器输出的一个或更多个计数值；并且
其中，所述电压比较器被配置成基于所述第一晶体管的漏极端子处的模拟电压来控制所述一个或更多个计数值在所述存储器处的存储，以生成所述一个或更多个数字信号。


10.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新桥，
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