具有非常高的动态范围的图像传感器制造技术

本发明专利技术涉及具有有源像素的图像传感器，并且更具体地，涉及意在以非常高和非常低的亮度水平采集图像的那些传感器。每个像素包括：至少一个光电二极管(PHD)、电荷存储节点(18)、电子倍增放大结构(AMP)、用于将电子从所述光电二极管转移至所述结构的构件(TR1)、用于在倍增之后将电子从放大结构转移至所述存储节点的构件(TR2)、用于重新初始化所述存储节点的电位的晶体管(RS)。所述像素由读取电路读取，在重新初始化之后和在电子转移至所述存储节点中之后，读取电路对所述电荷存储节点的电位进行采样，并且提供对应的照明测量。传感器还包括用于在同一帧的过程中在两个不同持续时间中执行电荷累积，并且用于给予放大结构与在这些持续时间的过程中累积的电荷不同的倍增因子的构件。基于像素的照明，逐个像素选择对应于所述第一因子或所述第二因子的照明测量。

【技术实现步骤摘要】
具有高动态范围的图像传感器
本专利技术涉及图像传感器，并且更具体地，涉及意在既在非常低的亮度水平又在非常高的亮度水平采集图像的传感器。
技术介绍
大多数固态电子传感器对于平均亮度水平操作良好。通过大大增大累积持续时间，它们也能够在低亮度水平操作，损害了提供图像的速率。此外，增大累积持续时间可能与应用不兼容。例如，监视相机典型地必须每秒钟提供30个图像，从而限制了累积持续时间。当亮度水平增大，但传感器饱和的某一亮度除外时，这些传感器也能够操作。某些传感器已经特别设计为在低亮度水平操作。但是当场景的一些点较亮时，甚至对于平均亮度，它们也非常迅速地饱和。这些传感器中包括电子倍增传感器。其它传感器已经设计为利用复杂的系统在高亮度水平操作，该复杂的系统使得建立光相关对数(或至少具有两个斜率)响应曲线成为可能。这些传感器不能在低亮度水平良好地操作。存在对具有非常高的向上和向下动态范围的传感器的需求，即甚至在同一具有大的对比的图像中，传感器既能够在非常高的亮度水平，又能够在非常低的亮度水平操作。
技术实现思路
本专利技术提出一种具有有源像素的传感器，每个像素包括：至少一个光电二极管、电荷存储节点、电子倍增放大结构、用于将电子从所述光电二极管转移至所述电子倍增放大结构的构件、用于在倍增之后将电子从所述电子倍增放大结构转移至所述存储节点的构件、用于在电子至所述存储节点中的转移之前重新初始化所述存储节点的电位的晶体管，所述传感器还包括：读取电路，用于在重新初始化之后和在电子转移到所述存储节点中之后，对所述电荷存储节点的电位进行采样，并且用于提供对应的照明测量，所述传感器还包括：用于在图像帧的过程中在第一持续时间(Ti1)之后实施电荷从所述光电二极管至所述电子倍增放大结构的第一转移并用于然后在电荷至所述存储节点中的第一转移之前给予所述电子倍增放大结构第一电子倍增因子(k1)的构件；用于在相同图像帧的过程中在第二持续时间(Ti2)之后实施电荷从所述光电二极管至所述电子倍增放大结构的第二转移并用于然后在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的第二转移之前给予所述电子倍增放大结构不同于所述第一电子倍增因子的第二电子倍增因子(k2)的构件；以及用于基于像素的照明，逐个像素选择对应于所述第一因子或所述第二因子的照明测量的构件：实践中，基于电子至所述存储节点中的转移之后所述存储节点的电位电平。换句话说，通过对每个图像帧实施对应于两个累积时间并对应于两个不同倍增因子的连续电荷转移，传感器观察图像场景。如果以两个倍增因子之一关于像素测得的电子量在信号电平中达到顶点，这表示另一因子将更合适，则对此像素废弃此测量并且保留以另一因子执行的测量。利用以较高倍增因子进行的测量进行测试是可能的；如果测得的电子量太高(指示像素的可能的饱和)，则废弃此测量并且使用以较小倍增因子进行的测量。但是通过观察用于较低倍增因子的电位电平进行也是可能的；如果测得的电子量太低，则废弃此测量，因为其不显著并且使用以较高因子进行的测量。较小倍增因子大于或等于1，即其能够对应于倍增的存在或准存在，但是电子仍然通过放大结构。较高因子能够在从2至100的范围，或在某些情况下甚至更高。以较小倍增因子进行的照明测量的数值被乘以两个因子的比率，使得以两个因子进行的测量参照相同比例。优选地，不仅倍增因子不同，而且此外，用于两个测量的累积时间也不同。再次优选地，以较短累积时间进行以较低倍增因子执行的测量，并且以较长累积时间执行以较高倍增因子执行的测量。从以较短时间进行的照明测量得到的数值被乘以较长累积时间与较短累积时间的比率。传感器优选地包括：-用于在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的所述第一转移之前执行所述存储节点的电位的重新初始化，并用于在此第一转移之后对所述存储节点的电位执行采样的构件；-用于在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的所述第二转移之前在所述读取电路中执行所述存储节点的电位的重新初始化和此电位的采样，并用于在此第二转移之后对所述存储节点的电位执行采样的构件；-用于在所述读取电路中对在电子至所述存储节点的转移之后取得的样本与在所述存储节点的重新初始化与此转移之间取得的样本之间的至少一个差执行模-数转换的构件。可以设想实施这三组操作的两个主要可能性。在第一可能性中，利用读取电路中位于模-数转换器上游的第一采样电容器和第二采样电容器，所述第一采样电容器备用于对存储节点重新初始化电平进行采样，所述第二采样电容器备用于对电子至存储节点的转移之后的该电平进行采样。在此情况下，在所述第二采样电容器中对从至存储节点的第一转移得到的电平进行例行采样；以及然后在所述第二采样电容器中对从所述第二转移得到的所述电平进行条件采样。第二倍增因子较高，第二累积持续时间也优选地较长。条件是转移之后存储节点的信号电平的条件，目的是仅在不存在像素饱和风险时，执行重新采样。可以基于至存储节点的第一转移之后或第二转移之后存储节点的电位电平来执行对条件的测试。在另一操作模式中，读取电路包括第一采样电容器、第二采样电容器、第三采样电容器，所述第一采样电容器再次备用于对重新初始化电平进行采样；所述第二采样电容器备用于在第一转换之后对该电平进行采样；所述第三采样电容器用于在第二转移之后进行采样。此操作模式使得可能进行真实相关双采样。在每个像素中，在(用于从所述光电二极管至所述倍增放大结构的转移的)第一转移栅极与(用于从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的转移的)第二转移栅极之间插入的所述电子倍增放大结构优选地包括位于所述第一转移栅极与第二转移栅极之间的两个分开的加速栅极，以及位于所述两个加速栅极之间的具有固定表面电位的中间二极管区域，以及用于给所述加速栅极施加容许电荷通过所述中间二极管区域从一个加速栅极至另一个加速栅极连续转移的一连串交替的高和低电位的构件。放大系数实际上与交替的数量成比例并且因此通过更改交替的数量而被改变。如果不存在或实际上不存在交替，则放大因子等于1。附图说明在参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术的其它特性和优点将变得明显，其中：图1描绘具有有源像素的图像传感器的总体结构的竖直截面，该有源像素具有容许像素内的电子倍增的放大结构；图2描绘在将帧分解为两个不同的连续累积时间的过程中采集图像的情况下的操作时序图；图3描绘使得根据图2的时序图来采集图像成为可能的读取电路；图4描绘具有两个不同累积时间和用于两个累积时间的相关双采样的时序图变形；图5描绘根据图4的时序图操作的读取电路。具体实施方式在图1中描绘了范例CMOS技术有源像素的主元件，该有源像素内包括电子倍增放大结构。像素形成在基底10中，基底10优选地包括P型轻掺杂半导体有源层12(符号P-用于指明此弱掺杂)，该P-型轻掺杂半导体有源层12形成在更重掺杂层(P+)的表面处。通过隔离阻挡层(insulatingbarrier)13使像素与相邻像素隔离，隔离阻挡层完全围绕像素。此阻挡层可以是P型井以上的隔离沟槽。像素包括光电二极管区域PHD，光电二极管区域PHD的周界遵循植入有源层12的深度的部分中的N型半导体区域的轮廓。此植入区域顶上有P+型表面区域16，P+型表面区域16保持在零参考电位。这是所谓的“钉扎”光电二极管(意指P+表面区域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2011.03.23 FR 11524141.一种具有有源像素的图像传感器，每个像素包括：至少一个光电二极管(PHD)、电荷存储节点(18)、电子倍增放大结构(AMP)、用于将电子从所述光电二极管转移至所述电子倍增放大结构的构件(TR1)、用于在倍增之后将电子从所述电子倍增放大结构转移至所述存储节点的构件(TR2)、用于重新初始化所述存储节点的电位的晶体管(RS)，所述传感器还包括：读取电路(Ks，Kr，Cs，Cr，ADC)，用于在重新初始化之后和在电子转移到所述存储节点中之后，对所述电荷存储节点的电位进行采样，并且用于提供对应的照明测量，所述传感器还包括：用于在图像帧的过程中在第一持续时间(Ti1)之后实施电荷从所述光电二极管至所述电子倍增放大结构的第一转移，并用于然后在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点中的第一转移之前给予所述电子倍增放大结构第一电子倍增因子(k1)的构件；用于在相同图像帧的过程中在第二持续时间(Ti2)之后实施电荷从所述光电二极管至所述电子倍增放大结构的第二转移，并用于然后在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的第二转移之前给予所述电子倍增放大结构不同于所述第一电子倍增因子(k1)的第二电子倍增因子(k2)的构件；以及用于基于像素的照明，逐个像素选择对应于所述第一电子倍增因子或所述第二电子倍增因子的照明测量的构件。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，以两个不同的累积时间(Ti1，Ti2)进行以所述第一电子倍增因子和所述第二电子倍增因子进行的所述照明测量，并且以较小的累积时间(Ti1)进行以较小的电子倍增因子(k1)进行的所述照明测量。3.根据权利要求1和2中的一项所述的图像传感器，其特征在于，其包括：-用于在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的所述第一转移之前在所述读取电路中执行所述存储节点的电位的重新初始化，并用于在此第一转移之后对所述存储节点的电位执行采样的构件；-用于在电荷从所述电子倍增放大结构至所述存储节点的所述第二转移之前在所述读取电路中执行所述存储节点的电位的重新初始化和此电位的采样，并用于在此第二转移之后对所述存储节点的电位执行采样的构件；-用于在...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·弗雷伊，F·迈尔，
申请(专利权)人：E二V半导体公司，
类型：发明
国别省市：