[发明专利]像素具有高动态范围、动态电荷溢流和全局快门扫描的背照式图像传感器

说明书

本发明题为“像素具有高动态范围、动态电荷溢流和全局快门扫描的背照式图像传感器”。图像传感器可包括使用堆叠衬底来实现的背照式全局快门像素。为了在该像素中提供高动态范围，当该像素被高光级照明时，仅在该像素光电二极管中生成的电荷的预定部分被保存并存储在该像素光电二极管中。在低光级照明条件下，所有聚积的电荷都存储在该像素光电二极管中，从而保持高灵敏度和低噪声。动态电荷溢流可用于增加该高动态范围。为了在全局快门扫描模式下实现低噪声操作，动态电荷溢流可与相关的双采样技术相组合。可使用基于晶体管的溢流设备或使用基于n‑p‑n的溢流设备来实现动态电荷溢流。

技术领域

本发明整体涉及成像传感器，并且更具体地涉及具有从衬底的背面照明并在全局快门(GS)扫描模式下操作的高动态范围(HDR)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列。

背景技术

现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素包括接收入射光子(光)并将光子转变为电信号的光敏元件。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。

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。图像传感器也可在卷帘快门模式或全局快门模式下操作。全局快门图像传感器通常在每个像素中需要附加电荷存储节点，这些附加电荷存储节点占用很大一部分可用像素区域，并且因此增加图像传感器的成本。对于高动态范围传感器，该问题由于在像素中存储大量电荷的附加要求而进一步恶化。

因此，希望能够提供改善的高动态范围全局快门图像传感器。

附图说明

图1为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为根据一个实施方案的在上部芯片和中部芯片之间具有多个芯片和导电接合部的示例性图像传感器的透视图。

图3为根据一个实施方案的示例性全局快门图像传感器像素的横截面侧视图，该像素包括钉扎光电二极管、全局电荷转移栅极、电荷存储钉扎二极管、电荷读出转移栅极以及置于p型掺杂阱中的浮动扩散部。

图4为根据一个实施方案的图3的全局快门图像传感器像素在各种偏置条件下的电势图。

图5为根据一个实施方案的示例性全局快门图像传感器像素的电路图，该像素包括具有阈值调整注入物的n沟道MOSFET，该阈值调整注入物形成动态电荷溢流的势垒。

图6为根据一个实施方案的示出图5的全局快门图像传感器像素的示例性操作的时序图。

图7为根据一个实施方案的其中附加像素电路从上部芯片移出的示例性全局快门图像传感器像素的电路图。

图8为根据一个实施方案的示出图7的全局快门图像传感器像素的示例性操作的时序图。

图9为根据一个实施方案的具有动态电荷溢流的示例性全局快门图像传感器像素的横截面侧视图。

图10为根据一个实施方案的图9的全局快门图像传感器像素的电势图。

图11为根据一个实施方案的所检测到的电荷对由具有动态电荷溢流的全局快门图像传感器像素生成的输出电压的曲线图。

图12为根据一个实施方案的具有由n-p-n区域形成的动态电荷溢流设备的成像像素的横截面侧视图。

图13为根据一个实施方案的对应于图12的像素的电势分布的曲线图。

图14为根据一个实施方案的示出与图12的成像像素相关联的像素电路的图。

具体实施方式