CN104704811B - 具有三维结构的图像传感器的分离式单位像素 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有三维(3D)结构的图像传感器的分离式单位像素，其能够使得通过光电二极管产生的电荷传输至浮动扩散区的效率最大化。所述分离式单位像素可包括在其上形成有光电二极管以及传输晶体管的第一晶片以及在其上形成有复位晶体管以及源极跟随器晶体管的第二晶片。特别地，所述光电二极管具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平。

Description

具有三维结构的图像传感器的分离式单位像素
技术领域
本发明涉及图像传感器的分离式单位像素，更加具体地，涉及图像传感器的分离式单位像素，其将比供应至形成于第二晶片上的元件的接地电压更低的电压施加至形成于第一晶片上的光电二极管的正区域，从而使得电荷传输效率最大化。
背景技术
安装在每个像素中的图像传感器电路基本上包括光电二极管、传输晶体管、源极跟随器晶体管、选择晶体管以及复位晶体管。所述传输晶体管将通过光电二极管产生的电荷传输至浮动扩散区，所述源极跟随器晶体管产生与传输的电荷相应的转换电压，所述选择晶体管输出所述转换电压，以及所述复位晶体管重置所述浮动扩散区。
为了在预定区域中实现更多像素，分配给单位像素的区域不可避免地减少。然而，如上所述，单位像素需包括在其上形成的多个晶体管和光电二极管。因此，分配给用于接收光的光电二极管的区域受到多个晶体管占用的区域的限制。为了克服该缺点，下列方法被提出：用于传输通过光电二极管产生的电荷的传输晶体管和光电二极管形成在一个晶片上，以及其它晶体管形成在另一晶片上。
发明内容
技术问题
不同实施例用于指示具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素，其能够使得通过光电二极管产生的电荷传输至浮动扩散区的效率最大化。
技术方案
在一实施例中，提供了一种图像传感器的分离式单位像素，其产生与入射光相应的转换电压。所述分离式单位像素包括：第一晶片，其包括配置为产生与入射光相应的电荷的光电二极管、第一焊盘、以及配置为响应于传输控制信号而将通过所述光电二极管产生的电荷传输至所述第一焊盘的传输晶体管；以及第二晶片，其包括第二焊盘、配置为产生与传输至所述第二焊盘的电荷相应的转换电压的源极跟随器晶体管、以及配置为响应于复位控制信号而共同复位所述第二焊盘以及所述源极跟随器晶体管的栅极的复位晶体管。所述光电二极管具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平。
在一实施例中，提供了一种图像传感器的分离式单位像素，其产生与入射光相应的转换电压。所述分离式单位像素包括：第一晶片，其包括配置为产生与入射光相应的电荷的光电二极管、第一焊盘、配置为响应于传输控制信号而将通过所述光电二极管产生的所述电荷传输至所述第一焊盘的传输晶体管、以及配置为响应于复位控制信号而复位所述第一焊盘和所述传输晶体管的共同电极的复位晶体管；以及第二晶片，其包括第二焊盘以及配置为产生与传输至所述第二焊盘的电荷相应的转换电压的源极跟随器晶体管。所述光电二极管具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平。
在一实施例中，提供了一种图像传感器的分离式单位像素，其产生与入射光相应的转换电压。所述分离式单位像素包括：第一晶片，其包括第一焊盘、配置为产生与入射光相应的电荷的第一光电二极管、配置为响应于第一传输控制信号而将通过所述第一光电二极管产生的电荷传输至所述第一焊盘的第一传输晶体管、配置为产生与入射光相应的电荷的第二光电二极管、以及配置为响应于第二传输控制信号而将通过所述第二光电二极管产生的电荷传输至所述第一焊盘的第二传输晶体管；第二晶片，其包括第二焊盘、配置为产生与传输至所述第二焊盘的电荷相应的转换电压的源极跟随器晶体管、以及配置为响应于复位控制信号而对所述第二焊盘以及所述源极跟随器晶体管的栅极共同复位的复位晶体管。第一光电二极管和第二光电二极管中的每个都可以具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平。
有益技术效果
根据本发明实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素可有效地将通过光电二极管产生的电荷传输至浮动扩散区，并且使得供应至复位晶体管的电压源的水平多样化，从而有效地复位浮动扩散区。
附图说明
图1说明了根据本发明第一实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
图2说明了根据本发明第二实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
图3说明了根据本发明第三实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
图4说明了根据本发明第四实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
图5说明了根据本发明第五实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
图6说明了根据本发明第六实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
具体实施例
在下文中，将会参照附图对本发明的实施例进行更加详细的描述。在本发明以及本发明的不同附图和实施例中，同样的附图标记对应相同的部件。
图1说明了根据本发明第一实施例的具有三维(3D)结构的图像传感器的分离式单位像素。
参照图1，形成根据本发明第一实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素100的多个部件可被划分并形成在两个晶片110和120上。
第一晶片110可包括光电二极管PD以及在其上集成的传输晶体管M1，以及第二晶片120可包括复位晶体管M2以及在其上集成的源极跟随器晶体管M3。
光电二极管PD可具有N_接地电压N_GND施加至其的正区域，N_接地电压N_GND具有比在第二晶片120中使用的接地电压GND更低的电压水平。所述传输晶体管M1可具有与所述光电二极管PD的负区域相耦合的一个电极、与第一焊盘P1相耦合的其它电极、以及配置为接收传输控制信号Tx的栅极。
复位晶体管M2可具有与供电电压VDD以及具有与所述供电电压VDD不同电压水平的第二供电电压VDD_A之一相耦合的一个电极、与第二焊盘P2以及源极跟随器晶体管M3的栅极共同耦合的其它电极、以及配置为接收复位控制信号Re的栅极。所述源极跟随器晶体管M3可具有与供电电压VDD相耦合的一个电极以及与第二焊盘P2相耦合的栅极。
浮动扩散区可包括所述复位晶体管M2以及所述传输晶体管M1的扩散区域以及所述源极跟随器晶体管M3的栅极区域。在本实施例中，第一焊盘P1和第二焊盘P2可被包含在所述浮动扩散区中。
按照惯例，光电二极管PD的正极通常使用在第二晶片120中使用的接地电压GND。然而，在本实施例中，光电二极管PD的正极可使用具有比在第二晶片120中使用的接地电压GND更低电压水平的N_接地电压N_GND，从而增加了光电二极管PD的正区域与负区域之间的电压差。通过光电二极管PD产生的电荷可根据光电二极管PD上入射的光的强度而被确定。由于光电二极管PD的两个区域之间的电压差增加，通过光电二极管产生的电荷可被有效地传输至浮动扩散区。
进一步地，应用至复位晶体管M2的一个电极的复位电压实际上本身能够用作供电电压VDD，但是具有与供电电压VDD不同电压水平的第二供电电压VDD_A可被选择地使用。由于通过调整第二供电电压VDD_A的电压水平，能够控制浮动扩散区的复位电压水平，将通过光电二极管PD产生的电荷传输至浮动扩散区的传输效率能够被改善。该配置将会以同样的方式应用至随后的实施例。
图2说明了根据本发明第二实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
参照图2，与图1的第一实施例的配置100相比，根据本发明第二实施例的图像传感器的分离式单位像素可额外地包括形成在第二晶片220上的选择晶体管M4。选择晶体管M4响应选择控制信号Sx，可将与其一个电极相耦合的源极跟随器晶体管M3的转换电压P_out切换至其另一电极。
图3说明了根据本发明第三实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
参照图3，形成根据本发明第三实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素300的多个部件可被划分并形成在两个晶片310和320上。
第一晶片310可包括光电二极管PD、传输晶体管M1、以及在其上集成的复位晶体管M2，并且第二晶片320可包括集成在其中的源极跟随器晶体管M3。
光电二极管PD可具有N_节点电压N_GND施加至其的正区域，N_接地电压N_GND具有比在第二晶片320中使用的接地电压GND更低的电压水平。所述传输晶体管M1可具有与所述光电二极管PD的负区域相连接的一个电极、与第一焊盘P1相连接的另一电极、以及配置为接收传输控制信号Tx的栅极。复位晶体管M2可具有与供电电压VDD以及具有与所述供电电压VDD不同电压水平的第二供电电压VDD_A之一相耦合的一个电极、与第一焊盘P1和传输晶体管M1的共同电极相耦合的另一电极，以及配置为接收复位控制信号Re的栅极。
源极跟随器晶体管M3可具有与供电电压VDD相耦合的一个电极、配置为输出转换电压P_out的另一电极、以及与第二焊盘P2相连的栅极。
在图3中所示的第三实施例中，复位晶体管M2可集成在第一晶片310上，而在第一实施例100或者第二实施例200中，复位晶体管M2集成在第二晶片120或者220上。
图4明了根据本发明第四实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
参照图4，与图3的第三实施例的配置300相比，根据本发明第四实施例的图像传感器的分离式单位像素400可额外地包括集成在第二晶片420上的选择晶体管M4。选择晶体管M4响应选择控制信号Sx，可将与其一个电极相耦合的源极跟随器晶体管M3的转换电压P_out切换至其另一电极。
图5说明了根据本发明第五实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
参照图5，根据本发明第五实施例的图像传感器的分离式单位像素500可包括两个光电二极管PD1和PD2以及两个传输晶体管集成在其上的第一晶片510以及复位晶体管M2以及源极跟随器晶体管M3集成在其上的第二晶片520。
像素需要光电二极管和传输晶体管。因此，在第五实施例中，通过包含在两个像素中的光电二极管和传输晶体管传输的电荷经由集成在第二晶片上的处理电路有选择地被处理。
第一光电二极管PD1可具有N_接地电压N_GND施加至其的正区域。传输晶体管M11可具有与第一光电二极管PD1的负区域相耦合的一个电极、与第一焊盘P1相耦合的另一电极、以及配置为接收第一传输控制信号Tx1的栅极。第二光电二极管PD2可具有N_接地电压N_GND施加至其的正区域。第二传输晶体管M12可具有与第二光电二极管PD2的负区域相耦合的一个电极、与第一焊盘P1相耦合的另一电极、以及配置为接收第二传输控制信号Tx2的栅极。
复位晶体管M2可具有与供电电压VDD以及具有与供电电压VDD不同电压水平的第二供电电压VDD_A之一相耦合的一个电极、与第二焊盘P2相耦合的另一电极、以及配置为接收复位控制信号Re的栅极。源极跟随器晶体管M3可具有与供电电压VDD相耦合的一个电极以及配置为输出与存储在第二焊盘P2以及复位晶体管M2的另一电极中的电荷相应的转换电压P_out的另一电极。
图6说明了根据本发明第六实施例的具有3D结构的图像传感器的分离式单位像素。
参照图6，与图5的第五实施例的配置500相比，根据本发明第六实施例的图像传感器的分离式单位像素600可额外地包括集成在第二晶片620上的选择晶体管M4。选择晶体管M4响应选择控制信号Sx，可将与其一个电极相耦合的源极跟随器晶体管M3的转换电压P_out切换至其另一电极。
实际的图像传感器在上述元件之上可进一步包括透明的缓冲层以及滤光器。由于该配置为本领域技术人员所熟知，其详细的描述在此省略。
在实际图像传感器中，第一焊盘P1和第二焊盘P2可通过焊盘耦合单元彼此电耦合。由于该配置为本领域技术人员所熟知，其详细的描述在此省略。
尽管上面已描述了不同实施例，本领域技术人员不难理解实施例的描述仅通过示例的方式进行。相应地，不应基于描述的实施例而限制在此描述的本发明。

Claims (10)

1.一种图像传感器的分离式单位像素，其产生与入射光相应的转换电压，所述分离式单位像素包括：
第一晶片，其包括配置为产生与入射光相应的电荷的光电二极管、第一焊盘、以及配置为响应于传输控制信号而将通过所述光电二极管产生的电荷传输至所述第一焊盘的传输晶体管；以及
第二晶片，其包括第二焊盘、配置为产生与传输至所述第二焊盘的电荷相应的转换电压的源极跟随器晶体管、以及配置为响应于复位控制信号而共同复位所述第二焊盘以及所述源极跟随器晶体管的栅极的复位晶体管；
其中，所述第一晶片的光电二极管具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平，所述N_接地电压为负电压，所述传输晶体管可具有与所述光电二极管的负区域相耦合的一个电极。
2.根据权利要求1所述的分离式单位像素，其中所述传输晶体管具有与所述光电二极管的负区域相耦合的一个电极、与所述第一焊盘相耦合的另一电极、以及配置为接收所述传输控制信号的栅极；
复位晶体管具有与供电电压以及具有与供电电压不同电压水平的第二供电电压之一相耦合的一个电极、与所述第二焊盘以及所述源极跟随器晶体管的栅极共同耦合的另一电极、以及配置为接收所述复位控制信号的栅极；以及
所述源极跟随器晶体管具有与所述供电电压相耦合的一个电极以及配置为输出所述转换电压的另一电极。
3.根据权利要求2所述的分离式单位像素，其中所述第二晶片进一步包括配置为响应于选择控制信号而切换通过所述源极跟随器晶体管产生的转换电压的选择晶体管；以及
所述选择晶体管具有配置为接收所述选择控制信号的栅极、与所述源极跟随器晶体管的另一电极相耦合的一个电极、以及配置为输出所述转换电压的另一电极。
4.一种图像传感器的分离式单位像素，其产生与入射光相应的转换电压，所述分离式单位像素包括：
第一晶片，其包括配置为产生与入射光相应的电荷的光电二极管、第一焊盘、配置为响应于传输控制信号而将通过所述光电二极管产生的所述电荷传输至所述第一焊盘的传输晶体管、以及配置为响应于复位控制信号而复位所述第一焊盘和所述传输晶体管的共同电极的复位晶体管；以及
第二晶片，其包括第二焊盘以及配置为产生与传输至所述第二焊盘的电荷相应的转换电压的源极跟随器晶体管；
其中，所述第一晶片的光电二极管具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平，所述N_接地电压为负电压，所述传输晶体管可具有与所述光电二极管的负区域相耦合的一个电极。
5.根据权利要求4所述的分离式单位像素，其中所述传输晶体管具有与所述光电二极管的负区域相耦合的一个电极、与所述第一焊盘相耦合的另一电极、以及配置为接收所述传输控制信号的栅极；
复位晶体管具有与供电电压以及具有与供电电压不同电压级别的第二供电电压之一相耦合的一个电极、与所述第一焊盘以及所述传输晶体管的所述另一电极共同耦合的另一电极、以及配置为接收所述复位控制信号的栅极；以及
所述源极跟随器晶体管具有与所述供电电压相耦合的一个电极、与所述第二焊盘相耦合的栅极、以及配置为输出所述转换电压的另一电极。
6.根据权利要求5所述的分离式单位像素，其中第二晶片进一步包括配置为响应于选择控制信号而切换通过所述源极跟随器晶体管产生的所述转换电压的选择晶体管；
所述选择晶体管具有配置为接收所述选择控制信号的栅极、与所述源极跟随器晶体管的所述另一电极相耦合的一个电极、以及配置为输出所述转换电压的另一电极。
7.一种图像传感器的分离式单位像素，其产生与入射光相应的转换电压，所述分离式单位像素包括：
第一晶片，其包括第一焊盘、配置为产生与入射光相应的电荷的第一光电二极管、配置为响应于第一传输控制信号而将通过所述第一光电二极管产生的电荷传输至所述第一焊盘的第一传输晶体管、配置为产生与入射光相应的电荷的第二光电二极管、以及配置为响应于第二传输控制信号而将通过所述第二光电二极管产生的电荷传输至所述第一焊盘的第二传输晶体管；
第二晶片，其包括第二焊盘、配置为产生与传输至所述第二焊盘的电荷相应的转换电压的源极跟随器晶体管、以及配置为响应于复位控制信号而对所述第二焊盘以及所述源极跟随器晶体管的栅极共同复位的复位晶体管；
其中，第一光电二极管和第二光电二极管中的每个都具有N_接地电压施加至其的正区域，所述N_接地电压具有比所述第二晶片中使用的接地电压更低的电压水平, 所述N_接地电压为负电压，所述第一传输晶体管可具有与所述第一光电二极管的负区域相耦合的一个电极。
8.根据权利要求7所述的分离式单位像素，其中所述第一光电二极管通过其正区域接收所述N_接地电压；
所述第一传输晶体管具有与所述第一光电二极管的负区域相耦合的一个电极、与所述第一焊盘相耦合的其它电极、以及配置为接收所述第一传输控制信号的栅极；
第二光电二极管通过其正区域接收所述N_接地电压；
所述第二传输晶体管具有与所述第二光电二极管的负区域相耦合的一个电极、与所述第一焊盘相耦合的另一电极、以及配置为接收所述第二传输控制信号的栅极；
所述复位晶体管具有与供电电压以及具有与所述供电电压不同电压水平的第二供电电压之一相耦合的一个电极、与所述第二焊盘相耦合的另一电极、以及配置为接收所述复位控制信号的栅极；以及
所述源极跟随器晶体管具有与所述供电电压相耦合的一个电极以及配置为输出与存储在所述第二焊盘以及所述复位晶体管的所述另一电极中的电荷相对应的转换电压的另一电极。
9.根据权利要求8所述的分离式单位像素，其中所述第二晶片进一步包括配置为响应于选择控制信号而切换通过所述源极跟随器晶体管产生的所述转换电压的选择晶体管；以及
所述选择晶体管具有配置为接收所述选择控制信号的栅极、与所述源极跟随器晶体管的另一电极相耦合的一个电极、以及配置为输出所述转换电压的另一电极。
10.根据权利要求1-9之一所述的分离式单位像素，其中所述第一焊盘和第二焊盘通过焊盘耦合单元彼此电耦合。
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