具有高动态范围成像像素的图像传感器制造技术

本发明专利技术题为“具有高动态范围成像像素的图像传感器”。本发明专利技术提供一种高动态范围成像像素，该高动态范围成像像素可包括响应于入射光而生成电荷的光电二极管。当生成的电荷超过第一电荷电平时，电荷可通过第一晶体管溢出到第一存储电容器。当生成的电荷超过比第一电荷电平更高的第二电荷电平时，电荷可通过第二晶体管溢出。通过第二晶体管溢出的电荷可交替地耦接到电压源并且被排出或转移到第二存储电容器以供后续读出。将更多的溢出电荷转向电压源可增加像素的动态范围。因此可更新转向电压源的电荷量以控制成像像素的动态范围。

Image sensor with high dynamic range imaging pixels

【技术实现步骤摘要】
具有高动态范围成像像素的图像传感器
技术介绍
本专利技术整体涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围成像像素的成像设备。图像传感器常常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置方式中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。典型的图像像素包含光电二极管，用于响应于入射光而生成电荷。图像像素还可包括用于存储在光电二极管中生成的电荷的电荷存储区。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门中，图像传感器中的每个像素均可同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行像素可依次捕获图像。一些常规图像传感器或许能够在高动态范围(HDR)模式下工作。可在图像传感器中通过为交替的像素行分配不同的积聚时间来实现HDR操作。然而，常规图像传感器有时可能经历低于期望的分辨率、低于期望的灵敏度、高于期望的噪声水平，以及低于期望的量子效率。因此，希望能够提供在图像传感器中改善的高动态范围操作。附图说明图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。图3是根据一个实施方案的包括溢出电容器的示例性成像像素的电路图。图4是根据一个实施方案的示例性成像像素的电路图，该成像像素包括第一溢出电容器和将电荷间歇地引导到第二溢出电容器的电荷引导结构。图5是根据一个实施方案的示出当处理的溢出电荷多于积聚的溢出电荷时示例性成像像素(诸如图4的像素)的操作的时序图。图6是根据一个实施方案的示出当积聚的溢出电荷多于处理的溢出电荷时示例性成像像素(诸如图4的像素)的操作的时序图。图7是根据一个实施方案的示出用于操作具有两条溢出路径的成像像素(诸如图4的像素)的示例性方法步骤的流程图。图8是根据一个实施方案的示例性成像像素的电路图，该成像像素包括两条溢出路径，在两个衬底之间进行划分，并且包括两个衬底之间的导电互连结构。图9是根据一个实施方案的具有两条溢出路径的示例性成像像素的电路图，该两条溢出路径共享浮动扩散区。图10是根据一个实施方案的示出每两个像素可如何共享浮动扩散区的示例性像素阵列的图。图11是根据一个实施方案的示出每四个像素可如何共享浮动扩散区的示例性像素阵列的图。具体实施方式本专利技术的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本专利技术的示例性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本专利技术的实施方案，未详细描述众所周知的操作。电子设备诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件生成的电荷相对应。图1是示例性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、移动电话、视频摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个镜头。相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕捉操作期间，每个镜头可将光聚集到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或简称JPEG格式)。在典型的布置方式(有时称为片上系统(SOC)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。如果需要，系统100可向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性和非易失性的存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器，等等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。图2中示出了图1的相机模块12的布置的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应的行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他所需像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像像素，包括：/n光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；/n浮动扩散区；/n转移晶体管，所述转移晶体管耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间；/n第一电荷存储区，其中来自所述光电二极管的所述电荷的第一部分被配置为溢出到所述第一电荷存储区；和/n第二电荷存储区，其中来自所述光电二极管的所述电荷的第二部分被配置为溢出到所述第二电荷存储区。/n

【技术特征摘要】
20181109 US 16/185,1391.一种成像像素，包括：
光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；
浮动扩散区；
转移晶体管，所述转移晶体管耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间；
第一电荷存储区，其中来自所述光电二极管的所述电荷的第一部分被配置为溢出到所述第一电荷存储区；和
第二电荷存储区，其中来自所述光电二极管的所述电荷的第二部分被配置为溢出到所述第二电荷存储区。


2.根据权利要求1所述的成像像素，还包括：
电荷引导电路，所述电荷引导电路插置在所述光电二极管和所述第二电荷存储区之间，其中所述电荷引导电路包括第一晶体管、耦接在所述第一晶体管和所述第二电荷存储区之间的第二晶体管、以及耦接在所述第一晶体管和电压源之间的第三晶体管；和
第四晶体管，所述第四晶体管耦接在所述第一晶体管和所述光电二极管之间，其中所述第四晶体管耦接在所述光电二极管和所述第一电荷存储区之间。


3.根据权利要求1所述的成像像素，还包括：
第一源极跟随器晶体管，所述第一源极跟随器晶体管耦接到所述浮动扩散区；和
第二源极跟随器晶体管，所述第二源极跟随器晶体管耦接到所述第二电荷存储区。


4.根据权利要求1所述的成像像素，其中所述第一电荷存储区是第一存储电容器，并且所述第二电荷存储区是第二存储电容器。


5.根据权利要求1所述的成像像素，其中所述光电二极管和所述转移晶体管形成在第一衬底中，其中所述第二电荷存储区形成在第二衬底中，并且其中所述成像像素还包括所述第一衬底和所述第二衬底之间的导电互连结构。


6.一种图像传感器，所述图像传感器包括成像像素阵列，其中每个成像像素包括：
光电二极管；
第一存储电容器；
第一晶体管，所述第一晶体管插置在所述光电二极管与所述第一存储电容器之间；
第二存储电容器；
第二晶体管和第三晶体管，所述第二晶体管和所述第三晶体管串联耦接在所述第二存储电容器和所述第一晶体管之间；
偏置电压源端子；和
第四晶体管，所述第四晶体管耦接在所述偏置电压源端子和插置在所述第二晶体管和所述第三晶体管之间的节点之间。


7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中每个成像像素还包括：
浮动扩散区；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·S·约翰森，
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