[發明專利]具有集群并行讀出的堆疊背照式量子圖像傳感器

在審

• 申請號: 201780030177.8
• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN109155324A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 埃里克·R·福薩姆;薩利赫·馬蘇迪安
• 申請（專利權）人: 達特茅斯學院
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L27/00;H01L31/101;H01L31/103;H01L31/105;H04N5/374;H04N5/378
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 吳曉兵

一些實施例提供了包括3D豎直堆疊的光電傳感器陣列和讀出電路的量子圖像傳感器(QIS)。在一些實施例中，成像陣列包括多個單比特或多比特映像點，并且讀出電路與成像陣列進行電通信且被配置為針對每個映像點量化與該映像點的電信號相對應的模擬信號，其中所述成像系統被配置為3D豎直集成電路，其中成像陣列豎直堆疊在讀出電路上方。成像陣列可以被配置為相對于讀出電路的集群陣列，每個集群被配置為具有n×m個映像點的陣列。成像陣列可以包括設置在讀出電路層下方的另一圖像處理電路層。相鄰層可以被實現在單獨的襯底上和/或共同襯底中。

相關申請

本申請要求于2016年3月15日提交的美國臨時申請No.62/308,861的權益，其通過引用整體并入本文，以用于每個PCT成員國和地區的目的，其中，這樣通過引用的并入被許可或以其他方式不被禁止。

背景技術

一般來說，堆疊圖像傳感器已經使用了數十年。在紅外圖像傳感器中，其中探測器層以凸塊結合到讀出集成電路(ROIC)的混合傳感器已經用于紅外成像。最近，已經形成堆疊結構，其中通過使用硅通孔(TSV)將一層(例如，晶片或管芯)與另一層(例如，晶片或管芯)互連，所述硅通孔(TSV)是通過在硅中蝕刻孔并用金屬回填而制成的。還使用了其他技術。通常，對于圖像傳感器，最常在芯片的外圍進行連接。然而，還提出了像素并行連接以實現高吞吐量。例如，使用微凸塊對4個像素的組進行一次連接。(參見例如Toru Kondo、Yoshiaki Takemoto、Kenj i Kobayashi、Mltsuhlro Tsukimura、Naohiro Takazawa、Hideki Kato、Shunsuke Suzuki、Jun Aoki、Haruhisa Saito、Yuichi Gomi、SeisukeMatsuda和Yoshitaka Tadaki在于2015年6月在荷蘭法爾斯舉辦的Proc.2015International Image Sensor Workshop中發表的“A 3D stacked CMOS imagesensor with 16Mpixel global-shutter mode using 4million interconnections”)。

量子圖像傳感器(QIS)是在利用縮小像素尺寸的成像中的范式轉換。參見例如E.R.Fossum在于2005年6月在日本輕井澤舉辦的IEEE Workshop on CCDs and Adv.ImageSensors中發表的“What to do with sub-diffraction limit(SDL)pixels？-a proposalfor a gigapixel digital film sensor(DFS)”，其全部內容通過引入合并于此。QIS的各種實現方式的一些方面包括：使用子衍射極限大小的空間過采樣的二進制光電探測器(稱為映像點(jot))以高讀出速率來對單個光電子計數，將該二進制輸出表示為比特立方體(x，y，t)并處理該比特立方體以形成高動態范圍圖像。圖1示出了這種說明性的QIS概念。

QIS可包含幾千兆映像點，且速度可超過1000fps，從而產生達幾Gb/s或更高的輸出數據速率。例如，映像點間距可以是500nm或更小。圖1描繪了說明性的QIS圖像傳感器系統的框圖，包括映像點陣列10、行掃描器12、模擬讀出電路14(例如，讀出放大器和模數轉換器(ADC))、數字圖像處理電路16和I/O焊盤18(例如，低壓差分信令(LVDS)I/O)。映像點陣列10包括M行和N列的映像點。例如，具有16∶9縱橫比的千兆級映像點QIS可以實現為42000列并排且每列具有24000個映像點。

以商業上可行的高性能方式實現QIS相機應解決若干問題[2]。參見例如E.R.Fossum在于2011年7月在加拿大多倫多舉辦的Proc.OSA Topical Mtg.onComputational Optical Sensing and Imaging中發表的“The quanta image sensor(QIS)：concepts and challenges”，其全部內容通過引入合并于此。傳統的圖像傳感器像素和電路技術無法解決這些挑戰。