[发明专利]具有混合型异质结构的图像传感器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及固态图像传感器，并且更具体地涉及新颖的三维图像传感器结构。

背景技术

生产的具有CMOS图像传感器的可视成像系统显著地减少了照相机成本和功率，同时改善了图像分辨率并且减少了噪声。CMOS图像传感器通常是片上成像系统（iSoC）产品，其将图像检测和信号处理与大量支持性知识产权（IP）块组合，所述支持性知识产权块包括定时控制器，时钟驱动器，参考电压，A/D转换，图像处理级，和其它辅助电路。因此，得到的摄像机可以使用仅由镜头，快门和电池支持的单一CMOS集成电路来装配。结果是越来越小的照相机以越来越低的成本具有越来越长的电池寿命。

由CMOS iSoC传感器提供的改善，尤其包括由其嵌入的iSoC功能能够实现的操作灵活性，也已经转化为两用照相机的出现，其产生高分辨率静止图像和高清晰度视频两者。静止捕获和视频采集的这种集中已经废除了专用静止照相机和利用先前传感器技术，例如CCD生产的传统摄录像机两者。也已经暴露对甚至更好的两用图像传感器的需要以最佳地执行两种类型的成像。

尽管CMOS iSoC两用传感器为许多应用生产展示出可接受质量的静止照片（still）和视频两者，它们的图像质量远低于由器件物理设置的限制。此外，捕获质量在多样的照明条件下通常有点降低并且在极端条件下被严重损害。

挑战性情形的一个示例是给直接由太阳作为背光的树照相；阴影，在受照射叶子上的许多镜面高光，和直射阳光的组合几乎总是导致次优图像质量。背光树的视频捕获甚至更具挑战性，尤其是如果风与变化的云量相组合；阴影，中间色调和镜面高光的这种混杂格外难以以最佳保真度来进行捕获。进一步加入到挑战的是，这种情况在相对均匀和良性的照明条件的几秒内频繁地和动态地出现。捕获“完美”图像的挑战被摄影师朝向最具挑战性的照明条件倾斜以将照片美感最大化（通过利用在日出和日落时的所谓的“魔法时刻”）的事实进一步复杂化。

由于图像传感器的许多元件通过直接或非直接方式是光敏感的的事实，变化的和不稳定的场景动态不仅在曝光时间期间，而且在所有其它时间影响最终图像质量。这种寄生信号捕获生成降低图像质量的成像伪像。具有内部电子快门的传感器不能防止大量寄生信号污损图像捕获。机械快门的包含通常有助于防止出现大部分寄生信号生成。然而，包括机械快门增加了成本，复杂性，并且降低了照相机可靠性；因此存在迫切需要来消除它的包含。

然而，迄今开发的用于真正阻挡光的最佳方式是机械快门；所得到的快门抑制比（SRR）可以接近无穷大，即当快门被关闭时，在传感器中的任何地方没有检测到照射在照相机上的光。检测不必是在实际光检测器上，而是可以代替地在不同电路中的其它地方被拾取以影响性能。传感器的快门抑制比也经常被称作在光线捕获无效时的周期（即当机械快门将被放置在传感器前面以便收集零无用信号时的时期）期间描述其电阻挡光的能力的消光系数。

具有电子快门的单片传感器不像当使用机械快门时那样对环境光看不见。然而，为了进一步减少成本，照相机制造商希望通过具有提供极高SRR的传感器制造商供应装置来消除用于静止照相机的机械快门机构。因此，CMOS iSoC需要具有远超过100dB的SRR，其远在现代CMOS和CCD图像传感器的消光极限之外。

用于消除机械开关的一个方法是生产具有电子卷帘快门的图像传感器。图像以逐行为基础形成在这些传感器中使得从第一行的曝光开始/结束到最后一行的曝光开始/结束总是存在一个帧时间的延迟。结果是每行有效地捕获不同的时期。无论对于静止捕获还是视频，对于低于约60Hz的捕获率，令人非常讨厌的假象可能随之而来，这取决于在场景中移动的速率。另一方面，卷帘快门传感器的整体性能通常优于具有全局快门能力的传感器，其中整个传感器捕获相同的曝光时期，因为像素更易于设计和建立；卷帘快门传感器的信噪比大大地优于具有全局快门的那些。

机械快门另外可以通过在图像传感器中集成电子全局快门来被代替。在这种类型的传感器中，每个像素在单一、相同的曝光周期期间集成其捕获的信号。尽管具有更复杂得多的像素设计，传感器必须在没有损害的情况下执行，使得测量的性能是非常高的并且不被装置设计或者工艺技术限制。直到现在，CMOS全局快门传感器已经展现比竞争的CMOS卷帘快门传感器更低的占空因子和更高的噪声电平。使用片上系统集成来生产这些“快照（snapshot）”传感器还没有缩小差距（close the gap）。