[發明專利]具有卷簾快門掃描模式和高動態范圍的圖像傳感器

有效

• 申請號: 201611194614.3
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN107205129B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: J·希內塞克
• 申請（專利權）人: 半導體元件工業有限責任公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/3745;H04N5/355;H04N5/225
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 申發振

本發明涉及具有卷簾快門掃描模式和高動態范圍的圖像傳感器。本發明公開了可在卷簾快門掃描模式下操作的成像像素。在第一芯片上生成的電荷信號可電容耦接至第二芯片上的信號處理電路。電容器可被放置在信號路徑中，所述信號路徑提供耦接在所述芯片之間的信號，并且存儲來自已暴露于高光級照明下的像素的溢出電荷。這使得僅使用單次電荷積聚時間就實現高動態范圍成為可能。像素可包括像素內負反饋放大器?？稍诿總€像素處將所述第一芯片和所述第二芯片之間的芯片間電連接實現為具有每像素單個接合的混合接合。使用該技術制造的圖像傳感器可具有小尺寸像素、高分辨率、高動態范圍和單次電荷積聚時間。

技術領域

本申請要求2016年3月17日提交的Jaroslav Hynecek發明的名稱為“ImageSensors with a Rolling Shutter Scanning Mode and High Dynamic Range”(具有卷簾快門掃描模式和高動態范圍的圖像傳感器)的美國臨時申請No.62/309835的優先權，該臨時申請以引用的方式并入本文中，并且據此要求其對共同主題的優先權。

背景技術

本發明整體涉及成像系統，更具體地講，涉及具有背照式像素的成像系統。

現代電子設備(諸如移動電話、相機和計算機)通常使用數字圖像傳感器。成像傳感器(有時稱為成像器)可由二維圖像感測像素陣列形成。每個像素包括接收入射光子(光)并將光子轉變為電信號的光敏元件。有時，圖像傳感器被設計為使用聯合圖像專家組(JPEG)格式將圖像提供給電子設備。

一些常規圖像傳感器或許能夠在高動態范圍(HDR)模式下工作。通常在圖像傳感器中通過為交替的像素行分配不同的積聚時間來實現HDR操作。然而，將兩個不同的積聚時間分配至圖像傳感器陣列中的不同行通常會損失分辨率。另外，可能難以使用該方法獲得非常高的動態范圍(例如100dB或更多)。

因此，希望能夠提供在圖像傳感器中改善的高動態范圍操作。

附圖說明

圖1是根據本發明實施方案的具有圖像傳感器的示例性電子設備的示意圖。

圖2是根據本發明實施方案的具有多個接合在一起的襯底的圖像傳感器的透視圖。

圖3是根據本發明實施方案的示例性成像像素的簡化電路圖，其中來自第一芯片的信號電容耦接到位于第二芯片上的像素電路，并且浮動擴散區和重置晶體管位于第一芯片中。

圖4是根據本發明實施方案的示例性成像像素的簡化電路圖，其中來自第一芯片的信號電容耦接到位于第二芯片上的像素電路，并且重置晶體管位于第二芯片中。

具體實施方式

本發明的實施方案涉及具有背照式像素的圖像傳感器。具體地，互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器陣列可包括背照式像素。圖像傳感器陣列可在具有高動態范圍(HDR)的卷簾快門(RS)掃描模式下工作。CMOS圖像傳感器陣列可包括具有釘扎光電二極管的像素和對應的電荷感測和掃描機構?？赏ㄟ^與反相像素內增益放大器輸入節點的電容耦接連接來轉移和感測來自釘扎光電二極管的低光級照明信號。圖像傳感器可使用堆疊芯片來實施。例如，釘扎光電二極管可形成于第一芯片內，而像素內增益放大器輸入節點則可位于第二芯片內。來自釘扎光電二極管的高光級照明信號可溢出一定的預定勢壘，位于電荷轉移柵極下。高光級照明信號可存儲在與為低光級照明信號提供連接至放大器的相同電容器上?？赏ㄟ^獨立的源極跟隨器放大器感測高光級照明信號。源極跟隨器放大器還可位于第二芯片上。

使用前述像素可使圖像傳感器能夠在HDR模式下工作，而同時又對陣列中的每個像素采用相同積聚時間長度。在暴露于通常會使像素飽和的高光級照明下的像素中產生的電荷被漏出并積聚在像素電荷溢出電容器上，所述像素電荷溢出電容器可存儲與像素的釘扎光電二極管相比多得多的電荷。因此，可從相同的像素中分別讀取低光級照明信號和高光級照明信號。這確保在不損失分辨率或噪聲性能的情況下維持高動態范圍(例如100dB或更多)。對低光級照明的高靈敏度也得以保持。