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TW201640661A - 用於附接之三維資訊之堆疊嵌入式矽光子雪崩二極體影像感測器 - Google Patents

用於附接之三維資訊之堆疊嵌入式矽光子雪崩二極體影像感測器 Download PDF

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TW201640661A
TW201640661A TW105102730A TW105102730A TW201640661A TW 201640661 A TW201640661 A TW 201640661A TW 105102730 A TW105102730 A TW 105102730A TW 105102730 A TW105102730 A TW 105102730A TW 201640661 A TW201640661 A TW 201640661A
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pixel array
light
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孫天佳
王睿
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豪威科技股份有限公司
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Abstract

一種像素陣列包含配置於像素陣列中之複數個可見光像素。複數個可見光像素中之每一者包含配置於第一半導體晶粒中以偵測可見光之光敏元件。複數個可見光像素中之每一者經耦合以將彩色影像資料提供至安置於第二半導體晶粒中之可見光讀出電路，第二半導體晶粒以堆疊式晶片方案與第一半導體晶粒堆疊且耦合至第一半導體晶粒。複數個紅外線(IR)像素配置於像素陣列中。複數個IR像素中之每一者包含配置於第一半導體晶粒中以偵測IR光之單光子雪崩光電二極體(SPAD)。複數個可見光像素中之每一者經耦合以將IR影像資料提供至安置於第二半導體晶粒中之IR光讀出電路。

Description

用於附接之三維資訊之堆疊嵌入式矽光子雪崩二極體影像感測器
本發明係關於影像感測器。更具體而言，本發明之實例係關於三維影像感測器。
對三維(3D)相機之興趣正隨著3D應用之流行在諸如成像、電影、遊戲、電腦、使用者介面及諸如此類之應用中不斷增長而增加。用於創建彩色3D影像之一典型被動方式係使用多個相機來擷取立體或多個影像。使用立體影像，可對影像中之物件進行三角量測以創建彩色3D影像。此三角量測技術之一個缺點係難以使用小裝置創建彩色3D影像，此乃因為創建彩色3D影像每一相機之間必須存在一最小分離距離。另外，此技術係複雜的，且因此需要顯著電腦處理能力以便即時地創建彩色3D影像。此外，使用多個相機可增加成像系統之大小及成本。
對於需要即時獲取彩色3D影像之應用，有時利用基於光學飛行時間量測之主動深度成像系統。飛行時間系統通常採用：一光源，其將光引導於一物件處；一感測器，其偵測自該物件反射之光；及一處理單元，其基於光來往於一物件行進所花費之往返時間而計算至該物件之距離。在典型飛行時間感測器中，通常由於自光電偵測區至感測節點之高傳送效率而使用光電二極體。
10‧‧‧成像系統
12‧‧‧物件/場景
14‧‧‧紅外線源
16‧‧‧紅外線成像器/相機/紅外線相機
18‧‧‧光學成像器/相機/RGB相機/單獨RGB相機
20‧‧‧影像處理電路
22‧‧‧RBG像素陣列
24‧‧‧讀出電路
26‧‧‧紅外線像素陣列
28‧‧‧紅外線讀出電路
200‧‧‧堆疊式三維彩色影像感測器/三維彩色影像感測器
210‧‧‧彩色飛行時間像素陣列
211‧‧‧可見光像素
212‧‧‧矽光子雪崩二極體像素
220‧‧‧讀出電路
225‧‧‧位元線
230‧‧‧控制電路
235‧‧‧同步信號
240‧‧‧功能邏輯
250‧‧‧紅外線源
252‧‧‧脈衝紅外線光/紅外線光脈衝/紅外線光
254‧‧‧經反射紅外線光
260‧‧‧物件
300‧‧‧RGB-紅外線濾光器陣列/濾光器陣列
310‧‧‧濾光器/彩色濾光器
311‧‧‧濾光器/彩色濾光器
312‧‧‧濾光器/彩色濾光器
313‧‧‧濾光器/彩色濾光器
314‧‧‧最小重複彩色濾光器單元/重複彩色濾光器單元
315‧‧‧濾光器
400‧‧‧可見光像素
410‧‧‧光敏元件/光電二極體
411‧‧‧像素支援電路
415‧‧‧轉移電晶體
417‧‧‧浮動擴散節點
420‧‧‧重設電晶體
425‧‧‧源極隨耦器電晶體
430‧‧‧列選擇電晶體
435‧‧‧讀出行/位元線
450‧‧‧矽光子雪崩二極體像素
460‧‧‧雪崩二極體/雪崩光電二極體
465‧‧‧輸出脈衝/所得輸出脈衝
470‧‧‧淬滅元件
480‧‧‧數位計數器
485‧‧‧數位信號
500‧‧‧積體電路系統
502A‧‧‧可見光像素
502B‧‧‧可見光像素
502C‧‧‧可見光像素
502D‧‧‧可見光像素
503A‧‧‧矽光子雪崩二極體像素
503B‧‧‧矽光子雪崩二極體像素
504A‧‧‧光敏區/光電二極體
504B‧‧‧光敏區/光電二極體
504C‧‧‧光敏區/光電二極體
504D‧‧‧光敏區/光電二極體
505A‧‧‧倍增區
505B‧‧‧倍增區
506‧‧‧第一裝置晶粒
507‧‧‧接合界面
508‧‧‧第二裝置晶粒
510‧‧‧第一半導體層
511‧‧‧前側
512‧‧‧第一互連層
513‧‧‧背側
514‧‧‧第二半導體層/半導體層
516‧‧‧第二互連層
517A‧‧‧可見光讀出電路
517B‧‧‧可見光讀出電路
517C‧‧‧可見光讀出電路
517D‧‧‧可見光讀出電路
519A‧‧‧紅外線光讀出電路
519B‧‧‧紅外線光讀出電路
520‧‧‧前側
528‧‧‧混合接合通孔
A-A'‧‧‧虛線
VDD‧‧‧電力軌
RST‧‧‧重設信號
TX‧‧‧轉移信號
RS‧‧‧列選擇信號
VBIAS‧‧‧偏壓電壓
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則貫穿各個視圖，相似元件符號係指相似部件。
圖1係展示用於產生一物件或場景之一個三維彩色影像之一成像系統之一實例的一示意性方塊圖。
圖2係展示根據本發明之教示包含具有對應讀出電路、控制電路及功能邏輯之一彩色飛行時間像素陣列之一個3D彩色影像感測器之一實例之一部分的一方塊圖。
圖3係展示根據本發明之教示安置於一實例性彩色飛行時間像素陣列上方之一實例性RGB-IR濾光器陣列之一圖解說明。
圖4A係圖解說明根據本發明之教示之一堆疊式可見光像素之一項實例之一示意圖。
圖4B係圖解說明根據本發明之教示包含淬滅元件之一堆疊式晶片SPAD像素之一項實例之一示意圖。
圖5係根據本發明之教示包含具有堆疊式晶粒之一個3D彩色影像感測器之一積體電路系統之一剖面圖。
貫穿圖式之數個視圖，對應元件符號指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件而放大。此外，通常不繪示在一商業上可行之實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻礙之觀看。
揭示一種用於使用飛行時間及深度資訊獲得彩色3D影像之設備及系統。在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對實施例之一透徹 理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下或者藉助其他組件、材料等來實踐本文中所闡述之技術。在其他實例中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」或「一實施例」之提及意指結合該實施例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書在各個地方中出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」未必全部係指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合於一或多個實施例中。
貫穿本說明書，使用數個技術術語。此等術語應理解為其在所屬領域中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地暗示。舉例而言，術語「或」在包含性意義上使用(例如，如同「及/或」)，除非內容脈絡另外清晰地指示。
圖1圖解說明可產生一物件或場景12之一彩色3D影像的一實例性成像系統10之一示意性方塊圖。舉例而言，成像系統10可用作用於一個3D手勢辨識系統的一彩色相機的一部分，該3D手勢辨識系統舉例而言可用於一視訊遊戲系統中。如圖1中所展示，成像系統10包含一光學成像器或相機18，光學成像器或相機18接收並處理來自一場景或物件12之可見光。在該實例中，相機18產生場景或物件12之紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)影像資料。如此，相機18亦可被稱為一「RGB相機」。一RBG像素陣列22接收可見光，且讀出電路24讀出可見影像資料。
在該實例中，成像系統10亦包含一紅外線(IR)源14，紅外線(IR)源14用IR光照射場景或物件12。在一項實例中，IR源14可包含用於提供IR光之一IR雷射或諸如此類。一IR成像器或相機16接收並處理自場景或物件12返回之IR光以產生場景或物件12之IR影像資料。如此，IR 像素陣列26接收IR光，且IR讀出電路28讀出IR影像資料。
在該實例中，來自RGB相機18及IR相機16之影像資料之圖框經傳輸至影像處理電路20，影像處理電路20處理所接收資料以產生場景或物件12之一個3D彩色影像。影像處理電路20使用來自RGB相機18之資料來產生一彩色影像，且使用來自IR相機16之資料來提供深度資訊以產生彩色3D影像。因此，圖1之成像系統10包含用以產生一彩色3D影像之一單獨RGB相機18及IR相機16。然而，應注意，藉由利用例如RGB相機18及IR相機16之多個相機，存在多組控制信號線及多個資料集，其導致成像系統10具有一大且複雜之外觀尺寸以及一相對高成本。
在一項實例中，可藉由使用其中將RGB相機與IR相機組合於一單個影像像素陣列中之一成像系統而獲得3D彩色影像。舉例而言，在一項實例中，一成像系統包含一影像像素陣列，該影像像素陣列具有複數個可見光像素及複數個矽光子雪崩二極體(SPAD)像素。在該實例中，該複數個可見光像素中之每一者包含用於接收光之一部分的一光敏元件(舉例而言，諸如一光電二極體)及用於產生表示光之該所接收部分之一強度之一信號的像素支援電路。該複數個SPAD像素中之每一者包含用於偵測至一物件之距離之一雪崩二極體，及耦合至該雪崩光電二極體之SPAD像素支援電路。光敏元件及SPAD像素之陣列安置於一感測器晶粒上，且可見光像素及SPAD像素之像素支援電路安置於一特殊應用積體電路(ASIC)晶粒上。感測器晶粒及ASIC晶粒堆疊在一起。
在該實例中，一濾光器安置於該複數個可見光像素中之每一者及該複數個SPAD像素中之每一者上面。每一濾光器使一預定波長帶或光之色彩通過。每一濾光器與可見光像素之一相關聯光敏元件或SPAD像素之雪崩二極體對準。濾光器中之至少一者經調適以使一可 見色彩帶中之一波長帶通過，且濾光器中之至少另外一者經調適以使一紅外線帶中之一波長帶通過。
為圖解說明，圖2係展示根據本發明之教示包含具有對應讀出電路、控制電路及功能邏輯之一飛行時間像素陣列之堆疊式3D彩色影像感測器200之一實例之一部分的一方塊圖。特定而言，如所繪示實例中所圖解說明，堆疊式3D彩色影像感測器200包含一彩色飛行時間(TOF)像素陣列210、讀出電路220、控制電路230、功能邏輯240及IR源250。在該實例中，IR源250發射脈衝IR光252，脈衝IR光252可用於基於IR光之脈衝之飛行時間來感測至物件260之往返距離。特定而言，根據本發明之教示可藉由量測所發射IR光脈衝252自IR源250行進至物件260且返回至彩色TOF像素陣列210所花費之時間之量來判定往返距離。藉由判定至物件260之往返距離，可判定3D資訊。可舉例而言在多種應用中(諸如包含於舉例而言一視訊遊戲系統或諸如此類中之一個3D手勢辨識系統中之相機之部分)使用圖2之堆疊式3D彩色影像感測器200。在一項實例中，IR源250可包含用於發射照射物件260之IR光252之一IR雷射。
在圖2中之所圖解說明實例中，彩色TOF像素陣列210係安置於一半導體感測器晶粒之半導體材料中之可見光像素211及SPAD像素212之一個二維(2D)陣列。可用彩色TOF像素陣列210中之複數個SPAD像素212來偵測來自物件260之經反射IR光254以提供IR影像資料。彩色TOF像素陣列210中之該複數個可見光像素211偵測來自物件260之可見光以提供彩色影像資料。在一項實例中，該複數個可見光像素211中之每一者包含用於接收光之一部分之一光敏元件(諸如一光電二極體)，以及用於產生表示光之所接收部分之一強度之一信號的像素支援電路。該複數個SPAD像素212中之每一者包含一雪崩二極體及SPAD像素支援電路。
如所繪示實例中所展示，該複數個SPAD像素212中之每一者在彩色TOF像素陣列210之半導體材料中之所有橫向側上被可見光像素211圍繞。如此，根據本發明之教示，該複數個SPAD像素212貫穿彩色TOF像素陣列210而分佈於半導體感測器晶粒之半導體材料中之該複數個可見光像素211當中。在一項實例中，SPAD像素212與可見光像素211之間的大小之比率係4比1。在另一實例中，SPAD像素212與可見光像素之間的大小之比率可係另一值，諸如9比1。在另一實例中，SPAD像素之大小係可見光像素之大小的N倍大，其中N係一整數值。由於堆疊式3D彩色影像感測器200包含以一堆疊式晶片方案與一ASIC晶粒堆疊之一感測器晶粒，因此光敏元件可佔據可見光像素211之實質上整個區域且雪崩二極體可佔據SPAD像素212之實質上整個區域。
在所繪示實例中，控制電路230經耦合以控制彩色TOF像素陣列210之操作，以及藉助一同步信號235控制並使IR源250同步來發射至物件260之IR光252之脈衝以使IR光脈衝252之發射與藉助SPAD像素212對自物件260反射之光子之感測的一時序同步。特定而言，經反射IR光254自物件260反射回至彩色TOF像素陣列210。用可見光像素211偵測可見光且用該複數個SPAD像素212偵測經反射IR光254。
彩色影像資料及IR影像資料之圖框透過位元線225自彩色TOF像素陣列210傳送至包含於讀出電路220中之可見光讀出電路及IR光讀出電路。讀出電路220可包含放大器以放大透過位元線225接收之信號。位元線225可用於耦合安置於同一行上之可見光像素211。彩色飛行時間像素陣列210中之該複數個SPAD像素212中之每一者可耦合至其自身各別讀出電路，該各別讀出電路不同於可見光像素211之讀出電路。由讀出電路220中之可見光讀出電路及IR光讀出電路讀出之資訊然後可經傳送至包含於功能邏輯240中之數位電路以儲存並處理自彩色TOF像素陣列210讀出之資訊。在一項實例中，功能邏輯240可判定 距彩色TOF像素陣列210之該複數個SPAD像素212中之每一者之飛行時間及距離資訊。在一項實例中，功能邏輯240可操縱彩色影像資料及/或IR影像資料(例如，剪裁、旋轉、針對背景雜訊調整或諸如此類)。在一項實例中，功能邏輯240可將彩色影像資料與IR影像資料中之飛行時間資訊組合以提供一彩色3D影像。
如所提及，應注意，圖2中所圖解說明之3D彩色影像感測器200可以一堆疊式晶片方案實施。舉例而言，可見光像素211之光敏元件與SPAD像素212之雪崩二極體的陣列可安置於一感測器晶粒上。可見光像素211之像素支援電路及SPAD像素212之像素支援電路以及讀出電路220、控制電路230及功能邏輯240可安置於一單獨ASIC晶粒上。在該實例中，根據本發明之教示，感測器晶粒及ASIC晶粒在製作期間以一堆疊式晶片方案堆疊且耦合在一起以實施一3D彩色影像感測系統。
圖3係展示根據本發明之教示安置於一實例性彩色TOF像素陣列上方之一實例性RGB-IR濾光器陣列之一圖解說明。在所繪示實例中，根據本發明之教示，RGB-IR濾光器陣列300安置於圖2之彩色TOF像素陣列210之一項實例上方。返回參考圖3，濾光器310中之每一濾光器310、311、312及313與一可見光像素211之一對應下伏光敏元件對準，而濾光器315與一SPAD像素212之一對應下伏雪崩二極體對準。在一項實例中，可見光像素211之光敏元件可與濾光器310之每一濾光器310、311、312、313係實質上相同大小，且SPAD像素212之雪崩二極體可與濾光器315係實質上相同大小。在一項實例中，濾光器310、311、312及313係配置成一重複圖案(舉例而言，諸如一拜耳(Bayer)圖案或諸如此類)之彩色濾光器，其中一最小重複彩色濾光器單元314如所展示包含四個彩色濾光器310、311、312及313之一分群。在一項實例中，重複彩色濾光器單元314之大小與濾光器315係實 質上相同大小。在一項實例中，濾光器310、311、312及313可分別係R、G、G及B彩色濾光器，從而使濾光器陣列300成為一RGB-IR濾光器陣列。在一項實例中，濾光器陣列300可係一CYM-IR濾光器陣列或一CYGM-IR濾光器陣列或諸如此類。
圖4A係圖解說明根據本發明之教示之一個四電晶體(4T)像素單元堆疊式晶片可見光像素之一項實例之一示意圖。圖4A中所圖解說明之像素電路係用於實施圖2之彩色飛行時間像素陣列210之每一可見光像素211之可見光像素電路架構之一項可能實例。返回參考圖4A，每一可見光像素400包含一光敏元件410(例如，光電二極體)及像素支援電路411，如所展示。光敏元件410可安置於一堆疊式晶粒系統之一感測器晶粒上，而像素支援電路411可安置於一ASIC晶粒上。在一項實例中，像素支援電路411包含耦合至光敏元件410之一轉移電晶體415、重設電晶體420、源極隨耦器(SF)電晶體425及列選擇電晶體430，如所展示。
在操作期間，在一曝光週期期間光敏元件410回應於入射光而光生電荷。轉移電晶體415經耦合以接收一轉移信號TX，轉移信號TX致使轉移電晶體415將在光電二極體410中累積之電荷轉移至浮動擴散(FD)節點417。重設電晶體420耦合於電力軌VDD與浮動擴散節點417之間以回應於一重設信號RST重設可見光像素400(例如，將浮動擴散節點417及光電二極體410放電或充電到一預設電壓)。
浮動擴散節點417經耦合以控制源極隨耦器電晶體425之閘極端子。源極隨耦器電晶體425耦合於電力軌VDD與列選擇電晶體430之間以回應於浮動擴散FD節點417上之電荷而放大一信號。列選擇電晶體430回應於一列選擇信號RS將來自源極隨耦器電晶體425之像素電路之輸出耦合至讀出行或位元線435。
光敏元件410及浮動擴散節點417藉由暫時地確證重設信號RST及 轉移信號TX而重設。累積窗(例如，曝光週期)在轉移信號TX經撤銷確證時開始，此准許入射光在光敏元件410中光生電荷。隨著所光生電子在光敏元件410中累積，其電壓降低(電子係負電荷載體)。光電二極體410上之電壓或電荷表示在曝光週期期間入射於光敏元件410上之光之強度。在曝光週期結束時，重設信號RST經撤銷確證，此關斷重設電晶體420且將浮動擴散FD節點417與VDD隔離。然後，轉移信號TX經確證以將光敏元件410耦合至浮動擴散節點417。電荷透過轉移電晶體415自光敏元件410轉移至浮動擴散FD節點417，此致使浮動擴散FD節點417之電壓下降與在曝光週期期間於光敏元件410上累積之所光生電子成比例之一量。
圖4B係圖解說明根據本發明之教示包含淬滅元件之一堆疊式晶片SPAD像素之一項實例之一示意圖。圖4B中所圖解說明之像素電路係用於實施圖2之彩色飛行時間像素陣列210之每一SPAD像素212之SPAD像素電路架構之一項可能實例。返回參考圖4B，每一SPAD像素450包含如所展示地耦合之一雪崩二極體460、淬滅元件470及數位計數器480。雪崩二極體460耦合至淬滅元件470，且雪崩二極體460及淬滅元件470兩者皆可安置於堆疊式晶粒系統之感測器晶粒上，而包含於讀出電路中之數位計數器480安置於ASIC晶粒上。在其他實例中，淬滅元件470可根據本發明之教示包含於感測器晶粒或ASIC晶粒中。亦應瞭解，淬滅元件470可根據本發明之教示使用被動或主動淬滅元件來實施。
數位計數器480可使用安置於ASIC晶粒上的使用堆疊式晶粒系統之一標準CMOS程序製作之CMOS電路來實施，且經電耦合以接收由雪崩二極體460回應於一所接收光子而產生之一輸出脈衝465。數位計數器480可經啟用以計數由雪崩二極體460在一時間窗期間產生之輸出脈衝465之數目且輸出表示該計數之一數位信號485。儘管圖4B中所 繪示之實例圖解說明包含雪崩光電二極體460及數位計數器480之像素電路之間的一直接連接，但應瞭解，根據本發明教示可利用包含雪崩光電二極體460及數位計數器480之像素電路之間的任何連接(包含以AC耦合之方式)。在一項實例中，每一數位計數器480包含用於放大所接收輸出脈衝465之一放大器。替代地或除數位計數器480以外，根據本發明之教示，可在每一像素/行/陣列中放置用於計時入射光子之到達之計時電路以判定該光子之飛行時間及至物件之往返距離。
在操作中，每一雪崩二極體460經由高於每一雪崩二極體460之崩潰電壓之一偏壓電壓VBIAS而反向偏壓。回應於一單個光生載子(其回應於一入射光子而產生)，觸發一雪崩倍增程序，該雪崩倍增程序在每一雪崩二極體460之輸出處導致一雪崩電流。此雪崩電流回應於跨越淬滅元件470形成之一電壓降而自淬滅，此導致跨越雪崩二極體460之偏壓電壓下降。在雪崩電流之淬滅之後，跨越雪崩二極體460之電壓恢復至高於偏壓電壓且然後雪崩二極體460準備好再次被觸發。每一雪崩二極體460之所得輸出脈衝465由其各別數位計數器480接收，數位計數器480回應於輸出脈衝465而使其計數遞增。
在與使用一標準CMOS程序製作之CMOS數位計數器相同之晶片上併入SPAD之習用SPAD像素設計由於CMOS電路本身所佔據之面積而遭受成像平面上之減小填充因子之影響。因此，根據本發明之教示，實施一堆疊式晶片結構之一個優點提供成像平面上之一經改良填充因子。
應注意，圖4B之電路圖係出於闡釋之目的而隨本文一起提供且未詳細展示某些其他電路元件(例如，諸如電阻器及電容器之被動組件及諸如電晶體之主動組件)以便不使本發明之教示模糊。舉例而言，圖4B之所圖解說明像素電路可產生一輸出脈衝465，輸出脈衝465在被數位計數器480之輸入感測之前需要放大。在另一實例中，淬 滅元件470與雪崩二極體460之間的節點處之連接將處於一高電壓，此可需要AC耦合。
圖5係根據本發明之教示包含具有堆疊式裝置晶粒之3D彩色像素陣列之一積體電路系統500之一項實例之一剖面圖。積體電路系統500係具有圖3之RGB-IR濾光器陣列300的圖2之彩色飛行時間像素陣列210之一個可能實施方案。舉例而言，圖5之積體電路系統500可係沿著圖3之虛線A-A'之一剖面圖。圖5中所展示之積體電路系統500之所圖解說明實例包含一第一裝置晶粒506、一第二裝置晶粒508及一接合界面507，第一裝置晶粒506在接合界面507處接合至第二裝置晶粒508。第一裝置晶粒506包含一第一半導體層510及一第一互連層512，而第二裝置晶粒508包含一第二半導體層514及一第二互連層516。所圖解說明實例展示經配置成列及行(舉例而言，諸如亦如圖2及圖3中所圖解說明)之複數個可見光像素502A、502B、502C及502D以及複數個SPAD像素503A及503B。
在一項實例中，可見光像素502A、502B、502C及502D可分別各自包含接近第一半導體層510之一前側511安置之一光敏區或光電二極體504A、504B、504C及504D。在一項實例中，SPAD像素503A及503B可分別各自包含接近第一半導體層510之前側511形成之倍增區505A及505B。在所繪示實例中，根據本發明之教示，光電二極體504A、504B、504C及504D以及倍增區505A及505B經組態以透過第一半導體層510之一背側513而被照射。
在一項實例中，第二裝置晶粒508係一CMOS邏輯晶粒，該CMOS邏輯晶粒使用一標準CMOS程序製作且包含第二半導體層514，第二半導體層514包含可見光讀出電路517A、517B、517C及517D以及IR光讀出電路519A及519B。在一項實例中，IR光讀出電路519A及519B包含類似於舉例而言圖4之數位計數器480之數位計數器。在一項實例 中，混合接合通孔528包含於接合界面507處，如所展示。舉例而言，在一項實例中，可包含混合接合通孔528以將包含於第一裝置晶粒506中之SPAD像素503A及503B之電壓轉移至包含於第二裝置晶粒508中之IR光讀出電路519A及519B。可見光讀出電路517A、517B、517C及517D中之每一者可包含取樣與保持電路及類比轉數位轉換(ADC)電路。如所繪示實例中所展示，可見光讀出電路517A、517B、517C及517D以及IR光讀出電路519A及519B接近第二半導體層514之一前側520形成。在所圖解說明實例中，可見光讀出電路517A、517B、517C及517D安置於其各別可見光像素(例如，分別係502A、502B、502C及502D)內之半導體層514之區中。類似地，IR光讀出電路519A及519B安置於其各別SPAD像素(例如，分別係503A及503B)內之半導體層514之區中。在其他實例中，彩色飛行時間像素陣列內之毗鄰可見光像素之可見光讀出電路可經分群以形成公共晶粒面積。此公共晶粒面積可由相鄰SPAD像素之IR光讀出電路中之數位計數器使用。
包含發明摘要中所闡述內容的對本發明之所圖解說明實施例的以上說明並不意欲係窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。雖然出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但熟習相關技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可根據以上詳細說明對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據請求項解釋之所創建原則加以理解。
10‧‧‧成像系統
12‧‧‧物件/場景
14‧‧‧紅外線源
16‧‧‧紅外線成像器/相機/紅外線相機
18‧‧‧光學成像器/相機/RGB相機/單獨RGB相機
20‧‧‧影像處理電路
22‧‧‧RBG像素陣列
24‧‧‧讀出電路
26‧‧‧紅外線像素陣列
28‧‧‧紅外線讀出電路

Claims (20)

  1. 一種像素陣列，其包括：複數個可見光像素，其配置於該像素陣列中，其中該複數個可見光像素中之每一者包含配置於一第一半導體晶粒中以偵測可見光之一光敏元件，其中該複數個可見光像素中之每一者經耦合以將彩色影像資料提供至安置於一第二半導體晶粒中之可見光讀出電路，該第二半導體晶粒以一堆疊式晶片方案與該第一半導體晶粒堆疊且耦合至該第一半導體晶粒；及複數個紅外線(IR)像素，其配置於該像素陣列中，其中該複數個IR像素中之每一者包含配置於該第一半導體晶粒中以偵測IR光之一單光子雪崩光電二極體(SPAD)，其中該複數個IR光像素中之每一者經耦合以將IR影像資料提供至安置於該第二半導體晶粒中之IR光讀出電路。
  2. 如請求項1之像素陣列，其中該複數個IR像素中之每一者在該第一半導體晶粒中之所有橫向側上被該複數個可見光像素圍繞。
  3. 如請求項1之像素陣列，其中該複數個IR像素貫穿該像素陣列而分佈於該第一半導體晶粒中之該複數個可見光像素當中。
  4. 如請求項1之像素陣列，其中該複數個IR像素中之每一者與該複數個可見光像素中之每一者之間的一大小之一比率係4比1。
  5. 如請求項1之像素陣列，其中該複數個可見光像素及該複數個IR像素經調適以透過該第一半導體晶粒之一背側而被照射。
  6. 如請求項1之像素陣列，其中該複數個可見光像素以一拜耳圖案配置於該像素陣列中以提供該彩色影像資料。
  7. 如請求項1之像素陣列，其中由該複數個IR光像素提供之該IR影像資料提供飛行時間資訊以提供三維(3D)影像資料。
  8. 如請求項1之像素陣列，其中該第一半導體晶粒中之該複數個可見光像素及該複數個IR光像素透過在該第一半導體晶粒與該第二半導體晶粒之間的一接合界面處之混合接合通孔而耦合至該第二半導體晶粒中之該可見光讀出電路及該IR光讀出電路。
  9. 如請求項1之像素陣列，其中該第二半導體晶粒係一特殊應用積體電路(ASIC)晶粒。
  10. 如請求項1之像素陣列，其中該IR光讀出電路包含複數個數位計數器，該複數個數位計數器經耦合以計數由該複數個IR像素中之每一者之每一SPAD回應於所接收光子產生之輸出脈衝。
  11. 一種影像感測系統，其包括：一光源，其用於將紅外線(IR)光脈衝發射至一物件；一像素陣列，其用於自該物件接收可見光及經反射IR光脈衝，其中該像素陣列包含：複數個可見光像素，其配置於該像素陣列中，其中該複數個可見光像素中之每一者包含配置於一第一半導體晶粒中以偵測來自該物件之該可見光之一光敏元件，其中該複數個可見光像素中之每一者經耦合以將彩色影像資料提供至安置於一第二半導體晶粒中之可見光讀出電路，該第二半導體晶粒以一堆疊式晶片方案與該第一半導體晶粒堆疊且耦合至該第一半導體晶粒；及複數個IR像素，其配置於該像素陣列中，其中該複數個IR像素中之每一者包含配置於該第一半導體晶粒中以偵測來自該物件之該經反射IR光脈衝來產生飛行時間資訊的一單光子雪崩光電二極體(SPAD)，其中該複數個可見光像素中之每一者經耦合以將IR影像資料提供至安置於該第二半導體晶粒中之IR光讀出電路；及 控制電路，其經耦合以控制該像素陣列之操作且藉助一同步信號控制並使該光源同步以使該等光脈衝之發射與對自該物件反射之光子之感測之一時序同步。
  12. 如請求項11之影像感測系統，其進一步包括功能邏輯，該功能邏輯耦合至該可見光讀出電路及該IR光讀出電路以儲存並處理自該像素陣列讀出之彩色影像資料及該IR影像資料，其中該功能邏輯經耦合以將該彩色影像資料與該IR影像資料組合以產生該飛行時間資訊並提供一彩色三維(3D)影像。
  13. 如請求項11之影像感測系統，其中該複數個IR像素中之每一者在該第一半導體晶粒中之所有橫向側上被該複數個可見光像素圍繞。
  14. 如請求項11之影像感測系統，其中該複數個IR像素貫穿該像素陣列而分佈於該第一半導體晶粒中之該複數個可見光像素當中。
  15. 如請求項11之影像感測系統，其中該複數個IR像素中之每一者與該複數個可見光像素中之每一者之間的一大小之一比率係4比1。
  16. 如請求項11之影像感測系統，其中該複數個可見光像素及該複數個IR像素經調適以透過該第一半導體晶粒之一背側而被照射。
  17. 如請求項11之影像感測系統，其中該複數個可見光像素以一重複圖案配置於該像素陣列中以提供該彩色影像資料。
  18. 如請求項11之影像感測系統，其中該第一半導體晶粒中之該複數個可見光像素及該複數個IR光像素透過在該第一半導體晶粒與該第二半導體晶粒之間的一接合界面處之混合接合通孔而耦合至該第二半導體晶粒中之該可見光讀出電路及該IR光讀出電 路。
  19. 如請求項11之影像感測系統，其中該第二半導體晶粒係一特殊應用積體電路(ASIC)晶粒。
  20. 如請求項11之影像感測系統，其中該IR光讀出電路包含複數個數位計數器，該複數個數位計數器經耦合以計數由該複數個IR像素中之每一者之每一SPAD回應於所接收光子產生之輸出脈衝。
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