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TW201909404A - 單曝光高動態範圍感測器 - Google Patents

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TW201909404A
TW201909404A TW107121015A TW107121015A TW201909404A TW 201909404 A TW201909404 A TW 201909404A TW 107121015 A TW107121015 A TW 107121015A TW 107121015 A TW107121015 A TW 107121015A TW 201909404 A TW201909404 A TW 201909404A
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歐蕊 奧昆 席勒克
杜立 毛
成先富
王昕�
比爾 潘
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Abstract

一種單曝光高動態範圍(HDR)影像感測器包含安置於一半導體材料中之一第一光電二極體及一第二光電二極體，該第二光電二極體具有小於該第一光電二極體之一滿井容量。該影像感測器亦包含：一第一浮動擴散部，其安置於該半導體材料中；及一第一轉移閘，其耦合至該第一光電二極體以將累積在該第一光電二極體中之第一影像電荷轉移至該第一浮動擴散部中。一第二浮動擴散部安置於該半導體材料中，且一第二轉移閘耦合至該第二光電二極體以將累積在該第二光電二極體中之第二影像電荷轉移至該第二浮動擴散部中。一衰減層安置於該第二光電二極體與被朝向該單曝光HDR影像感測器引導之影像光之間以阻擋該影像光之一部分使其無法到達該第二光電二極體。

Description

單曝光高動態範圍感測器
本發明大體而言係關於半導體製作，且特定而言但非排他地，係關於CMOS影像感測器。
影像感測器已變得無所不在。其廣泛地用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全攝影機以及醫學、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器之技術一直繼續快速地進展。舉例而言，對較高解析度及較低功率消耗之需求已促進了此等裝置之進一步小型化及整合。
典型的影像感測器如下操作。來自一外部場景之影像光入射於影像感測器上。影像感測器包含複數個光敏元件，使得每一光敏元件吸收入射影像光之一部分。包含於影像感測器中之光敏元件(諸如光電二極體)各自在吸收影像光後旋即產生影像電荷。所產生影像電荷之量與影像光之強度成比例。所產生之影像電荷可用來產生表示外部場景之一影像。
高動態範圍(HDR)影像感測器對包含汽車工業在內之許多技術領域變得重要起來。某些HDR影像感測器可使用多次曝光來達成較高動態範圍。然而，此可導致諸如運動假影及成像LED看起來就像閃爍一樣等問題。
本文中闡述關於一單曝光高動態範圍感測器之一設備之實例。在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對實例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有特定細節中之一或多者之情況下或利用其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
在本說明書通篇中對「一項實例」或「一項實施例」之提及意指結合該實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例中。因此，在本說明書通篇之各個位置中片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」之出現未必全部指代同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
圖1A 圖解說明一單曝光高動態範圍(HDR)影像感測器像素100之至少部分。單曝光HDR影像感測器像素100包含第一(大)光電二極體101、轉移閘103、第一浮動擴散部105、源極隨耦器(放大器)電晶體117、列選擇電晶體119、雙浮動擴散閘107、第二浮動擴散部109、電容器113、第二(小)光電二極體111、第二轉移閘115及重設電晶體121。
如所圖解說明，第一光電二極體101安置於一半導體材料中(參見 ， 例如 ， 圖2A 至圖2C 之 半導體層202)，且第二光電二極體111 (具有小於第一光電二極體101之一滿井容量)亦安置於該半導體材料中。第一浮動擴散部105安置於半導體材料中接近於第一光電二極體101，且第一轉移閘103耦合至第一光電二極體101以回應於施加至第一轉移閘103之一第一轉移信號而將累積在第一光電二極體101中之第一影像電荷轉移至第一浮動擴散部105中。第二浮動擴散部109安置於半導體材料中接近於第二光電二極體111，且第二轉移閘115耦合至第二光電二極體111以回應於施加至第二轉移閘115之一第二轉移信號而將累積在第二光電二極體111中之第二影像電荷轉移至第二浮動擴散部109中。儘管別處亦有繪示(參見，例如， 圖 2A 至圖 2C )，但一衰減層係安置於第二光電二極體111與被朝向單曝光HDR影像感測器100引導之影像光之間以阻擋影像光之一部分使其無法到達第二光電二極體111。
如所展示，第二浮動擴散部109耦合至電容器113以儲存在一轉移信號被施加至雙浮動擴散閘107時自第一光電二極體101轉移之第一影像電荷。類似地，為讀取在第二光電二極體111中產生之第二影像電荷，雙浮動擴散閘107 (其安置於第一浮動擴散部105與第二浮動擴散部109之間)可回應於施加至雙浮動擴散閘107之一轉移信號而將影像電荷自第二浮動擴散部109轉移至第一浮動擴散部105。電容器113選擇性地儲存分別自第一光電二極體101及第二光電二極體111轉移出之第一及第二影像電荷。可使用一大浮動擴散部、平行板(例如 ， 金屬-絕緣體-金屬組態)、經形成而彼此接近之經摻雜半導體層或類似物來構造電容器113。受益於本發明之熟習此項技術者將瞭解，根據本發明之教示，可使用許多結構來形成電容器113。
如所圖解說明，一放大器(源極隨耦器117)耦合至第一浮動擴散部105以放大第一浮動擴散部上之一電荷，且列選擇電晶體119耦合至放大器。讀出電路之此部分放大第一浮動擴散部105上之信號以便被讀出而形成一影像。同樣，重設電晶體121耦合至第一浮動擴散部105及第二浮動擴散部109以重設第一浮動擴散部105 (當雙浮動擴散閘107接通時)、第二浮動擴散部109及電容器113中之影像電荷。
在所繪示實例中，第一(大)光電二極體101可用於捕獲低光條件(因為其具有比第二光電二極體111大之一滿井容量—例如 ， 約50 Ke- 至60 Ke- ，且因為無衰減層經定位而阻擋光使其無法進入第一光電二極體101)。此外，第一光電二極體101、兩個浮動擴散部105/109及電容器113可用於捕獲一中光條件(因為當一轉移信號被施加至雙浮動擴散閘107時，來自第一浮動擴散部105之過量電荷可流入至電容器113及第二浮動擴散部109中)。第二(小)光電二極體111可用於捕獲高強度光條件，因為其具有一較小滿井容量—約12 Ke- 及防止光到達光電二極體之一衰減層。此組態允許單曝光HDR影像感測器100達成至少120 dB之一動態範圍。此可用於汽車應用，其中影像感測器應能夠自路標及類似物清晰地成像LED (無閃爍)。
圖1B 圖解說明圖 1A 之影像感測器像素之一實例性信雜(SNR)與照度(LUX)輸出對比之圖表。如所展示，第一光電二極體101與第二光電二極體111之組合可用於達成一120 dB之照度範圍。如所圖解說明，第一(大)光電二極體(LPD)可用於捕獲具有一較高轉換增益(HCG)之低光條件及具有一較低轉換增益(LCG)之中光條件。然後，為捕獲高光條件，第二(小)光電二極體(SPD)可用於捕獲高強度光條件且將影像感測器之動態範圍擴展至高達120 dB。換言之，第一光電二極體聯合第一浮動擴散部及第二浮動擴散部具有至少90 dB之第一照度動態範圍。第二光電二極體聯合第二浮動擴散部具有至少30 dB之一第二照度動態範圍，且第一照度動態範圍與第二照度動態範圍至少部分地重疊。
圖2A 至圖2C 圖解說明用於一小光電二極體之衰減層之各項實例。衰減層允許傳遞至第二光電二極體之光比第一光電二極體少。
圖2A 圖解說明根據本發明之教示之一影像感測器像素200A之一項實例。影像感測器像素200A包含半導體層202、第一(大)光電二極體201、第二(小)光電二極體211、溝槽隔離結構231、氧化物材料233、彩色濾光器層237、光學隔離結構235及半透明材料層243 (亦即，一 衰減層之一項實例)。如所展示，半透明材料層243安置於彩色濾光器層237與氧化物材料233之間，且彩色濾光器層237及氧化物材料233經安置接近於單曝光HDR影像感測器200A之一經照射側(半導體層202之接收光hv 之側 )。
在所繪示實例中，個別光電二極體至少部分地由溝槽隔離結構231環繞，溝槽隔離結構231可填充有金屬、半導體或氧化物材料。舉例而言，溝槽隔離結構231可包含一金屬芯，而溝槽隔離結構231之與半導體層202接觸之部分可包含一高k氧化物或類似物(例如 ， 氧化鉿或氧化矽)。因此，高k氧化物安置於金屬中心與半導體層202之間。溝槽隔離結構231可用於通過將光反射回至光電二極體中且防止電荷在半導體層202之表面上行進及穿過而行進至其他光電二極體中，來對個別光電二極體進行電及光學隔離。
類似地，光學隔離結構235可包含諸如一金屬之一反射材料，其可將光反射至適當光電二極體中且亦使不同彩色濾光器彼此分離。如所展示，半透明材料層243與第二光電二極體211光學對準，使得其阻擋某些傳入光使其無法進入第二光電二極體211中或使其衰減。此外，半透明材料243與光學隔離結構235之一個區段橫向共延伸。在某些實例中，半透明材料層243可係一暗化聚合物、一不透明聚合物或類似物。如所展示，半透明材料層243安置於氧化物材料233中；然而，在其他實例中，根據本發明之教示，半透明材料層243可安置於彩色濾光器層中或直接安置在半導體層202上。在某些實例中，由於半透明材料243，到達第二光電二極體211之光量可比到達第一光電二極體201之光小20倍。
在所繪示實例中，通過構造與第一光電二極體201相比具有一較小體積作用區域之第二光電二極體211來達成第二光電二極體211之較小滿井容量。然而，受益於本發明之熟習此項技術者將瞭解，根據本發明之教示，亦存在達成具有一較小滿井容量之一光電二極體之其他方式。
圖2B 繪示根據本發明之教示之一影像感測器像素200B之一項實例。如所展示，影像感測器像素200B類似於圖 2A 中之影像感測器像素200A。但是，一個主要差異在於，影像感測器像素200B具有一金屬格柵241以使到達第二光電二極體211之光量衰減。金屬格柵241與第二光電二極體211光學對準，且安置於氧化物材料233中。此外，金屬格柵241與光學隔離結構235之一個區段橫向共延伸。金屬格柵241可具有一週期性，使得其可作為一陷頻濾光器用於某些波長之光。舉例而言，若影像感測器像素200A僅意欲吸收可見光，則金屬格柵可具有阻擋紅外光之一週期性。
圖2C 繪示根據本發明之教示之一影像感測器像素200C之又一實例。如所展示，影像感測器像素200C類似於圖 2B 中之影像感測器像素200B。然而，一個差異係，使用一暗化彩色濾光器來減少進入第二光電二極體211之光量。舉例而言，彩色濾光器層233可係含有染料分子之一聚合物層。與其他類似色彩或不同色彩之彩色濾光器相比，暗化彩色濾光器可包含一較高濃度之染料分子，以便減少入射於第二光電二極體211上之光之強度。
應瞭解，根據本發明之教示，圖2A 至圖2C 中繪示之技術可以任何適合方式組合。舉例而言，一暗化彩色濾光器可聯合一金屬格柵一起使用，以便既達成影像光之衰減又排除一特定波長範圍進入第二光電二極體211。
圖3 係圖解說明根據本發明之教示可包含圖 1A 至圖2C 之影像感測器像素之一成像系統之一項實例的一方塊圖。成像系統300包含像素陣列305、控制電路321、讀出電路311及功能邏輯315。在一項實例中，像素陣列305係光電二極體或影像感測器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)之一個二維(2D)陣列。如所圖解說明，光電二極體被配置成若干列(例如，列R1至Ry)及若干行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、地點、物體等之影像資料，該影像資料然後可用於呈現該人、地點、物體等之一2D影像。然而，光電二極體未必配置成列及行，而是可採取其他組態。
在一項實例中，在像素陣列305中之每一影像感測器光電二極體/像素已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路311讀出且然後轉移至功能邏輯315。在各項實例中，讀出電路311可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯315可簡單地儲存影像資料或甚至通過應用後影像效應(例如，自動對焦、裁剪、旋轉、去除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路311可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用多種其他技術(未圖解說明)讀出該影像資料，諸如一串列讀出或同時所有像素之一全並列讀出。
在一項實例中，控制電路321耦合至像素陣列305以控制像素陣列305中之複數個光電二極體之操作。舉例而言，控制電路321可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在所繪示實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列305內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，影像獲取與諸如一閃光燈等照明效果同步。
在一項實例中，成像系統300可包含於一數位相機、行動電話、膝上型電腦、汽車或類似物中。另外，成像系統300可耦合至其他件硬體，諸如一處理器(一般用途或其他)、記憶體元件、輸出(USB埠、無線發射器、HDMI埠等)、照明/閃光燈、電輸入(鍵盤、觸摸顯示器、追蹤墊、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他件硬體可將指令遞送至成像系統300、自成像系統300提取影像資料或操縱由成像系統300供應之影像資料。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之以上說明並非意欲為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了本發明之特定實例，但如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。
可鑒於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本說明書中所揭示之特定實例。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所建立之請求項解釋原則來加以理解。
100‧‧‧單曝光高動態範圍影像感測器像素/單曝光高動態範圍影像感測器
101‧‧‧第一(大)光電二極體
103‧‧‧轉移閘/第一轉移閘
105‧‧‧第一浮動擴散部/浮動擴散部
107‧‧‧雙浮動擴散閘
109‧‧‧第二浮動擴散部/浮動擴散部
111‧‧‧第二(小)光電二極體
113‧‧‧電容器
115‧‧‧第二轉移閘
117‧‧‧源極隨耦器(放大器)電晶體/源極隨耦器
119‧‧‧列選擇電晶體
121‧‧‧重設電晶體
200A‧‧‧影像感測器像素/單曝光高動態範圍影像感測器
200B‧‧‧影像感測器像素
200C‧‧‧影像感測器像素
201‧‧‧第一(大)光電二極體
202‧‧‧半導體層
211‧‧‧第二(小)光電二極體
231‧‧‧溝槽隔離結構
233‧‧‧氧化物材料
235‧‧‧光學隔離結構
237‧‧‧彩色濾光器層
241‧‧‧金屬格柵
243‧‧‧半透明材料層/半透明材料
300‧‧‧成像系統
305‧‧‧像素陣列
311‧‧‧讀出電路
315‧‧‧功能邏輯
321‧‧‧控制電路
C1-Cx‧‧‧行
hv‧‧‧光
P1-Pn‧‧‧像素
R1-Ry‧‧‧列
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實例，其中除非另有規定，否則遍及各個視圖中相似元件符號指代相似部件。
圖1A 圖解說明根據本發明之教示之一單曝光高動態範圍(HDR)影像感測器像素之至少部分。
圖1B 圖解說明根據本發明之教示圖 1A 之影像感測器像素之一信雜(SNR)與照度(LUX)輸出對比之圖表。
圖2A 至圖2C 圖解說明根據本發明之教示用於一小光電二極體之衰減層之各項實例。
圖3 係圖解說明根據本發明之教示可包含圖 1A 至圖2C 之影像感測器之一成像系統之一項實例的一方塊圖。
遍及圖式之數個視圖，對應參考字元指示對應組件。技術人員將瞭解，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項實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件被放大。此外，通常不繪示一商業上可行之實施例中有用或必需的常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各項實施例之一較不受阻礙之觀看。

Claims (20)

  1. 一種單曝光高動態範圍(HDR)影像感測器，其包括： 一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中； 一第二光電二極體，其具有小於該第一光電二極體之一滿井容量，安置於該半導體材料中； 一第一浮動擴散部，其安置於該半導體材料中，接近於該第一光電二極體； 一第一轉移閘，其耦合至該第一光電二極體以回應於施加至該第一轉移閘之一第一轉移信號而將累積在該第一光電二極體中之第一影像電荷轉移至該第一浮動擴散部中； 一第二浮動擴散部，其安置於該半導體材料中，接近於該第二光電二極體； 一第二轉移閘，其耦合至該第二光電二極體以回應於施加至該第二轉移閘之一第二轉移信號而將累積在該第二光電二極體中之第二影像電荷轉移至該第二浮動擴散部中；及 一衰減層，其安置於該第二光電二極體與被朝向該單曝光HDR影像感測器引導之影像光之間以阻擋該影像光之一部分使其無法到達該第二光電二極體。
  2. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其中該第二浮動擴散部耦合至一電容器以儲存自該第一光電二極體轉移之該第一影像電荷。
  3. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其進一步包括一個雙浮動擴散閘，該雙浮動擴散閘安置於該第一浮動擴散部與該第二浮動擴散部之間以回應於施加至該雙浮動擴散閘之一轉移信號而將影像電荷自該第二浮動擴散部轉移至該第一浮動擴散部。
  4. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其進一步包括：一放大器，其耦合至該第一浮動擴散部以放大該第一浮動擴散部上之一電荷；及一列選擇電晶體，其耦合至該放大器。
  5. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其中該單曝光HDR影像感測器具有至少120 dB之一照度動態範圍，其中該第一光電二極體聯合該第一浮動擴散部及該第二浮動擴散部具有至少90 dB之第一照度動態範圍，且其中該第二光電二極體聯合該第二浮動擴散部具有至少30 dB之一第二照度動態範圍，且其中該第一照度動態範圍與該第二照度動態範圍至少部分地重疊。
  6. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其進一步包括一重設電晶體，該重設電晶體耦合至第一浮動擴散部及該第二浮動擴散部以重設該第一浮動擴散部及該第二浮動擴散部中之影像電荷。
  7. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其中該衰減層包含一金屬格柵或一半透明材料層中之至少一者。
  8. 如請求項7之單曝光HDR影像感測器，其中該金屬格柵或該半透明材料層中之該至少一者安置於一彩色濾光器層與一種氧化物材料之間，其中該彩色濾光器層及該氧化物材料經安置接近於該單曝光HDR影像感測器之一經照射側。
  9. 如請求項7之單曝光HDR影像感測器，其中該金屬格柵具有一週期性以阻擋一特定波長之光。
  10. 如請求項1之單曝光HDR影像感測器，其中該衰減層包含相對於具有一相同色彩之其他彩色濾光器暗化之一彩色濾光器，其位於經安置接近於該單曝光HDR影像感測器之一經照射側之一彩色濾光器層中。
  11. 一種高動態範圍(HDR)成像系統，其包括： 一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中； 一第二光電二極體，其具有小於該第一光電二極體之一滿井容量，安置於該半導體材料中； 一第一浮動擴散部，其安置於該半導體材料中，接近於該第一光電二極體且經耦合以自該第一光電二極體接收第一影像電荷； 一第二浮動擴散部，其安置於該半導體材料中，接近於該第二光電二極體且經耦合以自該第二光電二極體接收第二影像電荷； 一衰減層，其安置於該第二光電二極體與被朝向該第二光電二極體引導之影像光之間以阻擋該影像光之一部分使其無法到達該第二光電二極體；及 讀出電路，其經耦合以自該第一浮動擴散部讀出該第一影像電荷且自該第二浮動擴散部讀出該第二影像電荷。
  12. 如請求項11之HDR成像系統，其進一步包括： 一第一轉移閘，其耦合至該第一光電二極體以回應於施加至該第一轉移閘之一第一轉移信號而將累積在該第一光電二極體中之第一影像電荷轉移至該第一浮動擴散部中；及 一第二轉移閘，其耦合至該第二光電二極體以回應於施加至該第二轉移閘之一第二轉移信號而將累積在第二光電二極體中之第二影像電荷轉移至該第二浮動擴散部中。
  13. 如請求項11之HDR成像系統，其中該衰減層包含以下各項中之至少一者： 一金屬格柵； 一半透明材料層；或 相對於具有一相同色彩之其他彩色濾光器暗化之一彩色濾光器，其位於經安置接近於單曝光HDR影像感測器之一經照射側之一彩色濾光器層中。
  14. 如請求項13之HDR成像系統，其中該金屬格柵或該半透明材料層中之該至少一者安置於該彩色濾光器層與一種氧化物材料之間，其中該彩色濾光器層及該氧化物材料經安置接近於該單曝光HDR影像感測器之一經照射側。
  15. 如請求項14之HDR成像系統，其中該金屬格柵具有一週期性以阻擋一特定波長之光。
  16. 如請求項11之HDR成像系統，其中該第二浮動擴散部耦合至一電容器以儲存自該第一光電二極體轉移之該第一影像電荷。
  17. 如請求項16之HDR成像系統，其進一步包括一個雙浮動擴散閘，該雙浮動擴散閘安置於該第一浮動擴散部與該第二浮動擴散部之間以回應於施加至該雙浮動擴散閘之一轉移信號而將影像電荷自該第二浮動擴散部及該電容器轉移至該第一浮動擴散部。
  18. 如請求項11之HDR成像系統，其進一步包括：一放大器，其耦合至該第一浮動擴散部以放大該第一浮動擴散部上之一電荷；及一列選擇電晶體，其耦合至該放大器。
  19. 如請求項11之HDR成像系統，其中該第一光電二極體之一作用區域之體積大於該第二光電二極體之一作用區域之一體積。
  20. 如請求項11之HDR成像系統，其中該HDR成像系統具有至少120 dB之一照度動態範圍，其中該第一光電二極體聯合該第一浮動擴散部及該第二浮動擴散部具有至少90 dB之第一照度動態範圍，且其中該第二光電二極體聯合該第二浮動擴散部具有至少30 dB之一第二照度動態範圍，且其中該第一照度動態範圍與該第二照度動態範圍至少部分地重疊。
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