CN104733480B - 用于高动态范围图像传感器的图像传感器像素 - Google Patents

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Abstract

一种用于高动态范围图像传感器的图像传感器像素包含第一光电二极管及第二光电二极管。所述第一光电二极管包含第一经掺杂区、第一经轻掺杂区及安置于所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区之间的第一经高掺杂区。所述第二光电二极管具有实质上等于所述第一光电二极管的第一全阱容量的第二全阱容量。所述第二光电二极管包含第二经掺杂区、第二经轻掺杂区及安置于所述第二经掺杂区与所述第二经轻掺杂区之间的第二经高掺杂区。所述第一光电二极管可用于测量低光且所述第二光电二极管可用于测量亮光。

Description

用于高动态范围图像传感器的图像传感器像素
技术领域
本发明大体来说涉及图像传感器，且特定来说(但非排他性地)涉及高动态范围图像传感器中的像素。
背景技术
高动态范围(“HDR”)图像传感器对于许多应用来说为有用的。一般来说，普通图像传感器(举例来说，包含电荷耦合装置(“CCD”)及互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器)具有大致70dB动态范围的动态范围。相比之下，人眼具有多达大致100dB的动态范围。存在其中具有增加的动态范围的图像传感器为有益的多种情形。举例来说，在汽车行业中需要具有大于100dB的动态范围的图像传感器以便处置不同行驶条件，例如从黑暗隧道向明亮日光中行驶。确实，许多应用可需要具有至少90dB或更大的动态范围的图像传感器以适应从低光条件到亮光条件变化的宽广范围的照明情形。
一种用于实施HDR图像传感器的已知方法是使用组合像素。可使用一个像素来感测亮光条件，同时可使用另一像素来感测低光条件。然而，此方法通常包含像素中的不同光电二极管之间的物理差异及电差异。这些差异可产生处理从不同光电二极管产生的图像信号方面的挑战。因此，可需要选择较复杂且较不有效的读出与测量电子器件来以所要准确度读出不同光电二极管。
发明内容
本申请案提供一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：第一光电二极管，其安置于半导体材料中，所述第一光电二极管包含第一经掺杂区、第一经轻掺杂区及安置于所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区之间的第一经高掺杂区，其中所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区及所述第一经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第一经高掺杂区具有比所述第一经轻掺杂区高的第一掺杂剂浓度；及第二光电二极管，其安置于所述半导体材料中且具有实质上等于所述第一光电二极管的第一全阱容量的第二全阱容量，所述第二光电二极管包含第二经掺杂区、具有比所述第一经轻掺杂区窄的曝光面积的第二经轻掺杂区及安置于所述第二经掺杂区与所述第二经轻掺杂区之间的第二经高掺杂区，其中所述第二经掺杂区被掺杂为与所述第一经掺杂区相同的极性但与所述第二经轻掺杂区及所述第二经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第二经高掺杂区具有比所述第二经轻掺杂区高的第二掺杂剂浓度，所述第一经高掺杂区及所述第二经高掺杂区为实质上相同的大小及形状且具有实质上相等的掺杂剂浓度。
本申请案还提供一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：第一光电二极管，其安置于半导体材料中，所述第一光电二极管包含第一经掺杂区、第一经轻掺杂区及安置于所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区之间的第一经高掺杂区，其中所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区及所述第一经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第一经高掺杂区具有比所述第一经轻掺杂区高的第一掺杂剂浓度；第二光电二极管，其安置于所述半导体材料中且具有实质上等于所述第一光电二极管的第一全阱容量的第二全阱容量，所述第二光电二极管包含第二经掺杂区、第二经轻掺杂区及安置于所述第二经掺杂区与所述第二经轻掺杂区之间的第二经高掺杂区，其中所述第二经掺杂区被掺杂为与所述第一经掺杂区相同的极性但与所述第二经轻掺杂区及所述第二经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第二经高掺杂区具有比所述第二经轻掺杂区高的第二掺杂剂浓度，所述第一经高掺杂区及所述第二经高掺杂区为实质上相同的大小及形状且具有实质上相等的掺杂剂浓度；第一微透镜，其经光学耦合以将第一量的图像光引导到所述第一光电二极管；及第二微透镜，其经光学耦合以将第二量的图像光引导到所述第二光电二极管，其中所述第一量的图像光大于所述第二量的图像光。
本申请案进一步提供一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：第一光电二极管，其安置于半导体材料中，所述第一光电二极管包含第一经掺杂区、第一经轻掺杂区及安置于所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区之间的第一经高掺杂区，其中所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区及所述第一经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第一经高掺杂区具有比所述第一经轻掺杂区高的第一掺杂剂浓度；第二光电二极管，其安置于所述半导体材料中且具有实质上等于所述第一光电二极管的第一全阱容量的第二全阱容量，所述第二光电二极管包含第二经掺杂区、第二经轻掺杂区及安置于所述第二经掺杂区与所述第二经轻掺杂区之间的第二经高掺杂区，其中所述第二经掺杂区被掺杂为与所述第一经掺杂区相同的极性但与所述第二经轻掺杂区及所述第二经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第二经高掺杂区具有比所述第二经轻掺杂区高的第二掺杂剂浓度，所述第一经高掺杂区及所述第二经高掺杂区为实质上相同的大小及形状且具有实质上相等的掺杂剂浓度；及第一孔径大小调整器，其安置于所述第二光电二极管上面以将由所述第二光电二极管接收的图像光限制为比由所述第一光电二极管接收的第一量的图像光少的第二量。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。
图1是图解说明根据本发明的实施例的HDR成像像素的一个实例的框图示意图。
图2是图解说明根据本发明的实施例可在图1中所图解说明的HDR图像传感器中实施的HDR像素的一个实例的示意图。
图3A是根据本发明的实施例可在HDR像素中使用的两个光电二极管的平面图的图解说明。
图3B是根据本发明的实施例的图3A中的两个光电二极管的横截面图解说明。
图4A是根据本发明的实施例可在HDR像素中使用的两个光电二极管及两个微透镜的平面图的图解说明。
图4B是根据本发明的实施例的图4A中的两个光电二极管及两个微透镜的横截面图解说明。
图5A是根据本发明的实施例可在HDR像素中使用的两个光电二极管、两个微透镜及一孔径大小调整器的平面图的图解说明。
图5B是根据本发明的实施例的图5A中的两个光电二极管、两个微透镜及一孔径大小调整器的横截面图解说明。
具体实施方式
本文中描述成像系统及用于成像系统的图像像素的实施例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对所述实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下实践或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代相同实施例。此外，可在一个或一个以上实施例中以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
图1是图解说明根据本发明的实施例的HDR成像系统100的一个实例的框图示意图。HDR成像系统100包含实例性像素阵列102、控制电路108、读出电路104及功能逻辑106。如在所描绘的实例中所展示，HDR成像系统100包含耦合到控制电路108及读出电路104的像素阵列102。读出电路104耦合到功能逻辑106。控制电路108耦合到像素阵列102以控制像素阵列102的操作特性以便捕获由像素阵列102所接收的图像光产生的图像。举例来说，控制电路108可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号为滚动快门信号，使得在连续获取窗期间依序启用每一行、每一列或每一群组的像素。
在一个实例中，像素阵列102为成像传感器或像素110(例如，像素P1、P2...、Pn)的二维(2D)阵列。在一个实例中，每一像素110是包含用以捕获低光数据的第一光电二极管及用以捕获亮光数据的第二光电二极管的CMOS成像像素。如所图解说明，每一像素110被布置到一行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地点、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点、物体等的图像。
在一个实例中，在每一像素110已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路104通过读出列112读出且接着转移到功能逻辑106。在各种实施例中，读出电路104可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑106可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路104可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)或可使用多种其它技术(未图解说明)读出所述图像数据，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。可在不同时间周期期间单独地读出由像素110的第一光电二极管(用于低光)及第二光电二极管(用于亮光)产生的图像电荷。
图2是图解说明根据本发明的实施例可实施为HDR成像系统100中的像素110的HDR像素210的一个实例的示意图。像素210包含第一光电二极管235(PDL)及第二光电二极管245(PDB)。第一光电二极管235可经配置以测量低光数据且第二光电二极管245可经配置以测量亮光数据。转移晶体管233(T1L)耦合于第一光电二极管235与共享浮动扩散部229之间以将第一图像电荷从第一光电二极管235转移到共享浮动扩散部229。转移晶体管243(T1B)耦合于第一光电二极管235与共享浮动扩散部229之间以将第二图像电荷从第二光电二极管245转移到共享浮动扩散部229。在一个实施例中，转移晶体管233(T1L)、转移晶体管243(T1B)、第一光电二极管235及第二光电二极管245安置于半导体材料(例如，硅)中。
入射于像素210上的图像光将在光电二极管235及245中的每一者中产生图像电荷。在第一光电二极管235中产生第一图像电荷且在第二光电二极管245中产生第二图像电荷。当转移晶体管233在其转移栅极处接收到第一转移信号TXL231时，将第一图像电荷转移到共享浮动扩散区229。当第二转移晶体管243在其转移栅极处接收到第二转移信号TXB241时，将来自光电二极管245的第二图像电荷转移到共享浮动扩散区229。第一转移晶体管233及第二转移晶体管243的栅极经耦合而单独地被激活(接通)。换句话说，可单独地断言第一转移信号TXL231及第二转移信号TXB241。
为了捕获图像，响应于在转移晶体管233的第一转移栅极上接收到控制信号TXL231而通过转移晶体管233将在第一光电二极管235中积累的第一图像电荷切换到共享浮动扩散区229中。第一图像信号(对应于转移到共享浮动扩散部229的第一电荷)可接着由放大器晶体管T3224放大并通过激活行选择晶体管T4226而读出到读出列212上。在一个实例中，放大器晶体管T3224以如所展示的源极跟随器配置耦合，因此其将放大器晶体管T3224的栅极端子处的图像信号放大为放大器晶体管T3224的源极端子处的输出信号。如所展示，行选择晶体管T4226耦合到放大器晶体管T3224的源极端子以响应于控制信号SEL而将放大器晶体管T3224的输出选择性地切换到读出列212。如在所述实例中所展示，像素210还包含耦合到共享浮动扩散区229的复位晶体管T2222，复位晶体管T2222可用于响应于复位信号RST而复位在像素210中积累的电荷。在一个实例中，根据本发明的实施例，可在像素210的初始化周期期间或(举例来说)每次在已从像素210读出电荷信息之后且在将电荷积累于第一光电二极管235及第二光电二极管245中之后复位共享浮动扩散区229中的电荷以用于新HDR图像的获取。
可响应于在第二转移晶体管243的第二转移栅极上接收到控制信号TXB241而通过转移晶体管243将在第二光电二极管245中积累的第二图像电荷切换到共享浮动扩散区229中。可以与第一图像信号类似的序列将第二图像信号(对应于转移到共享浮动扩散部229的第二电荷)读出到读出列212上，使得可从第一光电二极管235读出低光图像信号/数据且可从第二光电二极管245读出亮光图像信号/数据。可组合来自像素阵列(例如，像素阵列102)中的多个像素210的亮光图像数据及低光图像数据以产生HDR图像。图像像素210可集成到前侧照明式图像传感器或背侧照明式图像传感器中。
使用不同设计方案，第一光电二极管235可经配置以捕获低光且第二光电二极管245可经配置以捕获亮光。图3A是根据本发明的实施例可分别用作光电二极管235及245的第一光电二极管335及第二光电二极管345的平面图的图解说明。图解说明第一光电二极管335及第二光电二极管345以便图解说明本发明的实施例的方面，但实际上，光电二极管335及345可布置成较靠近在一起。在图3A中，第一光电二极管335包含六边形第一经p掺杂区319。第二光电二极管345包含第二经p掺杂区339，第二经p掺杂区339也图解说明为六边形，但可能有不同几何形状。图3B是根据本发明的实施例的穿过图3A中的线A-A′的横截面图解说明。第一光电二极管335安置于半导体衬底(未图解说明)中。在一个实例中，所述半导体衬底为硅。第一光电二极管335包含第一经p掺杂区319、第一经较高n掺杂区317及第一经较低n掺杂区315。第一经较高n掺杂区317安置于第一经p掺杂区319与第一经较低n掺杂区315之间。第一经p掺杂区319与经n掺杂区317及经n掺杂区315相反地被掺杂以形成第一光电二极管335的二极管。第一经较高n掺杂区317具有比第一经较低n掺杂区315高的掺杂剂浓度。
在图3B中，第二光电二极管345与第一光电二极管335安置于相同的半导体衬底(未图解说明)中。第二光电二极管345包含第二经p掺杂区339、第二经较高n掺杂区337及第二经较低n掺杂区336。第二经较高n掺杂区337安置于第二经p掺杂区339与第二经较低n掺杂区336之间。第二经p掺杂区339与经n掺杂区337及经n掺杂区336相反地被掺杂以形成第二光电二极管345的二极管。第二经较高n掺杂区337具有比第二经较低n掺杂区336高的掺杂剂浓度。第一经较低n掺杂区315可具有与第二经较低n掺杂区336相同的掺杂剂浓度。
第一经较高n掺杂区317及第二经较高n掺杂区337具有实质上相等的掺杂剂浓度且为实质上相同的大小及形状。光电二极管335及345的全阱容量主要由其经较高掺杂区317及337的大小及掺杂剂浓度设定。因此，由于区317及337具有实质上相同的大小及掺杂剂浓度，因此光电二极管335的全阱容量实质上等于第二光电二极管345的全阱容量。使两个光电二极管具有类似(如果不相等)全阱容量允许信号处理的减少的复杂度。
虽然光电二极管335及345两者具有相同或类似的全阱容量，但第一光电二极管335对图像光较敏感以捕获低光图像数据，而第二光电二极管345经配置以捕获亮光图像数据且不如第一光电二极管335对图像光敏感。为了实现此目的，第一经较低n掺杂区315大于第二经较低n掺杂区336。在图3B中，第二经较低n掺杂区336比第一经较低n掺杂区315窄。因此，假定由每一光电二极管接收相同量的图像光，则光电二极管345产生比光电二极管335少的量的图像电荷。因此，第一光电二极管335比光电二极管345更敏感。
图4A是根据本发明的实施例可分别用作光电二极管235及245的第一光电二极管435及第二光电二极管445的平面图的图解说明。图解说明第一光电二极管435及第二光电二极管445以便图解说明本发明的实施例的方面，但实际上，光电二极管435及445可布置成较靠近在一起。在图4A中，第一光电二极管435包含安置于第一微透镜451下方的第一经p掺杂区319。第二光电二极管445包含安置于第二微透镜452下方的第二经p掺杂区339。图4B是根据本发明的实施例的穿过图4A中的线B-B′的横截面图解说明。第一光电二极管435及第二光电二极管445类似于光电二极管335及445，只不过所述光电二极管的经较低n掺杂区为相同大小。更具体来说，在图4B中，第一经较低n掺杂区415为与第二经较低n掺杂区436相同的宽度。第一经较低n掺杂区415及第二经较低n掺杂区436还可具有相同的曝光面积，其中所述曝光面积被界定为区415及436的传播到图4A中的页面中的光射线将遇到的表面积。第一经较高n掺杂区317具有比第一经较低n掺杂区415大的掺杂剂浓度且第二经较高n掺杂区337具有比第二经较低n掺杂区436大的掺杂剂浓度。第一经较低n掺杂区415可具有与第二经较低n掺杂区436相同的掺杂剂浓度。
由于光电二极管435及445为实质上等同的，因此其将具有实质上相同的电特性(包含相同的全阱容量)，此将使得读出及图像处理较简单。然而，由于其关于从图像光产生图像电荷具有类似的能力，因此第一微透镜451安置于光电二极管435上方以增加入射于光电二极管435上的图像光的量。第一微透镜451经光学耦合以将第一量的图像光引导到第一光电二极管435，而第二微透镜452经光学耦合以将比第一量少的第二量的图像光引导到第二光电二极管445。将更多的光引导到光电二极管435中有效地使得光电二极管435能够比光电二极管445更佳地捕获低光图像数据。
图5A是根据本发明的实施例分别安置于第一微透镜551及第二微透镜552下方的第一光电二极管435及第二光电二极管445的平面图的图解说明。在图5A中，六边形形状的孔径大小调整器544安置于经p掺杂区339与第二微透镜552之间。图5B是根据本发明的实施例的穿过图5A中的线C-C′的横截面图解说明。在图5A及5B中，第一微透镜551实质上等同于第二微透镜552且两者经光学配置以朝向其相应光电二极管引导相同量的图像光。然而，孔径大小调整器544限制将传播到光电二极管445的图像光的量，从而减少在光电二极管445中产生的图像电荷并使得第一光电二极管435能够相对较佳地捕获低光图像数据。
所属领域的技术人员应理解，在适用的情况下，可组合图3A-5B中的实施例。举例来说，可通过将区415切换为区315且将区436切换为336来修改图4A及4B中所图解说明的实施例。在此实例中，第一光电二极管将由于较大的经轻掺杂区而对图像光较敏感，且第一微透镜451也将引导较多图像光到第一光电二极管，从而使得第一光电二极管更佳地适于捕获低光图像数据，而第二光电二极管将相对更佳地适于捕获亮光图像数据。然而，第一及第二光电二极管的全阱容量将保持实质上相同，此允许对低光及亮光信号的较不复杂的图像处理。类似地，可通过将区415切换为区315且将区436切换为336来修改图5A及5B中所图解说明的实施例，此将使得一个光电二极管比另一光电二极管更敏感，同时仍保持所述光电二极管的实质上等同的全阱容量。
包含发明摘要中所描述内容的对本发明所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (6)

1.一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：
第一光电二极管，其安置于半导体材料中，所述第一光电二极管包含第一经掺杂区、第一经轻掺杂区及安置于所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区之间的第一经高掺杂区，其中所述第一经掺杂区与所述第一经轻掺杂区及所述第一经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第一经高掺杂区具有比所述第一经轻掺杂区高的第一掺杂剂浓度，且其中所述第一经掺杂区经放置以在所述第一经高掺杂区接收入射光之前接收所述入射光；及
第二光电二极管，其安置于所述半导体材料中且具有实质上等于所述第一光电二极管的第一全阱容量的第二全阱容量，所述第二光电二极管包含第二经掺杂区、具有比所述第一经轻掺杂区窄的曝光面积的第二经轻掺杂区及安置于所述第二经掺杂区与所述第二经轻掺杂区之间的第二经高掺杂区，所述第二经轻掺杂区具有比所述第二经高掺杂区窄的横截面面积，其中所述第二经掺杂区被掺杂为与所述第一经掺杂区相同的极性但与所述第二经轻掺杂区及所述第二经高掺杂区相反地被掺杂，且其中所述第二经高掺杂区具有比所述第二经轻掺杂区高的第二掺杂剂浓度，所述第一经高掺杂区及所述第二经高掺杂区为实质上相同的大小及形状且具有实质上相等的掺杂剂浓度，且其中所述第二经掺杂区经放置以在所述第二经高掺杂区接收所述入射光之前接收所述入射光。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其进一步包括：
共享浮动扩散部；
第一转移晶体管，其安置于所述半导体材料中以将第一图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散部，其中所述第一图像电荷由入射于所述第一光电二极管上的图像光产生；及
第二转移晶体管，其安置于所述半导体材料中以将第二图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述共享浮动扩散部，其中所述第二图像电荷由入射于所述第二光电二极管上的图像光产生。
3.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中所述第一转移晶体管及所述第二转移晶体管经耦合而单独地被激活。
4.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其进一步包括安置于所述半导体材料中且耦合到所述共享浮动扩散部的复位晶体管。
5.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其进一步包括：
放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中且经耦合以放大所述共享浮动扩散部上的图像信号；及
选择晶体管，其安置于所述半导体材料中在所述放大器晶体管与读出列线之间。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述第一光电二极管具有比所述第二光电二极管大的对图像光的敏感度。
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