CN105097855A - 图像传感器像素及多色图像传感器像素 - Google Patents

图像传感器像素及多色图像传感器像素 Download PDF

Info

Publication number
CN105097855A
CN105097855A CN201410785588.6A CN201410785588A CN105097855A CN 105097855 A CN105097855 A CN 105097855A CN 201410785588 A CN201410785588 A CN 201410785588A CN 105097855 A CN105097855 A CN 105097855A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photodiode
pixel
color
image sensor
lenticule
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410785588.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105097855B (zh
Inventor
柳政澔
真锅宗平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omnivision Technologies Inc
Original Assignee
Omnivision Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Omnivision Technologies Inc filed Critical Omnivision Technologies Inc
Publication of CN105097855A publication Critical patent/CN105097855A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105097855B publication Critical patent/CN105097855B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14641Electronic components shared by two or more pixel-elements, e.g. one amplifier shared by two pixel elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462Coatings
    • H01L27/14621Colour filter arrangements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627Microlenses
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645Colour imagers
    • H01L27/14647Multicolour imagers having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW elements
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/778Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

本申请案涉及一种图像传感器像素及一种多色图像传感器像素。图像传感器像素包含第一光电二极管、第二光电二极管、第一微透镜、第二微透镜及滤光片。所述第一及第二光电二极管在半导体材料中邻近于彼此而安置。所述第一光电二极管具有实质上等于所述第二光电二极管的第二最大阱容的第一最大阱容。所述第一微透镜安置在所述第一光电二极管上且所述第二微透镜安置在所述第二光电二极管上。所述第二微透镜与所述第一微透镜实质上相同。所述滤光片安置在所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间以减小入射在所述第二光电二极管上的图像光的强度。所述滤光片不实质上影响朝向所述第一光电二极管引导的图像光。

Description

图像传感器像素及多色图像传感器像素
技术领域
本发明大体上涉及图像传感器,且特定来说但不排他地,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”)图像传感器可用于许多应用。一般来说,普通图像传感器(包含(例如)电荷耦合装置(“CCD”)及互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器)具有大约70dB的动态范围的动态范围。相比之下,人眼具有高达大约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是有益的各种情形。举例来说,在汽车工业中需要具有大于100dB的动态范围的图像传感器以处置不同的行驶条件,例如从黑暗的隧道行驶到明亮的日光中。实际上,许多应用可能需要具有至少90dB或更大的动态范围的图像传感器以适应从低光条件变化到亮光条件的范围宽广的照明情形。
一种用于实施HDR图像传感器的已知方式为使用组合像素。一个子像素可用于感测亮光条件而另一子像素可用于感测低光条件。然而,此方式通常包含子像素中的不同光电二极管之间的物理及电气差异。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,可能需要选择更复杂且更低效的读出及测量电子装置来以所要的精确度读出不同的光电二极管。
发明内容
本发明提供用于高动态范围图像传感器中的图像传感器像素,所述图像传感器像素包括:第一光电二极管,其安置在半导体材料中;第二光电二极管,其安置在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最大阱容的第二最大阱容,其中所述第一光电二极管在所述半导体材料中邻近于所述第二光电二极管而安置;第一微透镜,其安置在所述第一光电二极管上以朝向所述第一光电二极管引导图像光;第二微透镜,其安置在所述第二光电二极管上以朝向所述第二光电二极管引导图像光,其中所述第二微透镜与所述第一微透镜实质上相同;及滤光片,其安置在所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间以减小入射在所述第二光电二极管上的所述图像光的强度,其中所述滤光片不实质上影响朝向所述第一光电二极管引导的所述图像光。
本发明还提供用于高动态范围(“HDR”)图像传感器中的多色图像传感器像素,所述多色图像传感器像素包括:第一色彩像素,其用于感测图像光的第一色彩;及第二色彩像素,其用于感测不同于图像光的所述第一色彩的图像光的第二色彩,其中第一色彩子像素及所述第二色彩像素各自包含HDR子像素,所述HDR子像素包括:第一光电二极管,其安置在半导体材料中;第二光电二极管,其安置在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最大阱容的第二最大阱容,其中所述第一光电二极管在所述半导体材料中邻近于所述第二光电二极管而安置;第一微透镜,其安置在所述第一光电二极管上以朝向所述第一光电二极管引导图像光;第二微透镜,其安置在所述第二光电二极管上以朝向所述第二光电二极管引导图像光,其中所述第二微透镜与所述第一微透镜实质上相同;及滤光片,其安置在所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间以减小入射在所述第二光电二极管上的所述图像光的强度,其中所述滤光片不实质上影响朝向所述第一光电二极管引导的所述图像光。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制性及非详尽实施例,其中除非另有指示否则相同参考数字在各种视图中指代相同部件。
图1为说明根据本发明的实施例的高动态范围(“HDR”)成像系统的一个实例的示意框图。
图2为说明根据本发明的实施例的可在图1中说明的HDR图像传感器中实施的HDR像素的一个实例的示意图。
图3为根据本发明的实施例的可在实例HDR像素中使用的两个光电二极管及两个微透镜的横截面说明。
图4为根据本发明的实施例的可在实例HDR像素中使用的两个光电二极管及两个微透镜的横截面说明。
图5为根据本发明的实施例的用于HDR图像传感器中的多色图像传感器像素的平面图说明,所述多色图像传感器像素包含四个色彩像素,所述四个色彩像素各自包含具有两个光电二极管的HDR子像素。
图6为根据本发明的实施例的用于HDR图像传感器中的多色图像传感器像素的平面图说明,所述多色图像传感器像素包含四个色彩像素,所述四个色彩像素各自包含具有四个光电二极管的HDR子像素。
图7A说明根据本发明的实施例的包含HDR子像素的实例电路示意图,所述HDR子像素包含接收来自特定色彩光谱的光的四个光电二极管。
图7B说明根据本发明的实施例的与图7A的实例电路示意图对应的实例时序图。
具体实施方式
本文中描述用于高动态范围(“HDR”)成像系统的成像系统及图像像素的实施例。在以下描述中,陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而,所属领域的技术人员将认识到,本文中描述的技术可在没有所述具体细节中的一或多者的情况下实践或以其它方法、组件或材料等等实践。在其它情况中,未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实施例”或“一实施例”的参考表示结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此,短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在贯穿本说明书的各种地方的出现不一定全都指代相同实施例。此外,在一或多个实施例中,特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
图1为说明根据本发明的实施例的HDR成像系统100的一个实例的示意性框图。HDR成像系统100包含实例像素阵列102、控制电路108、读出电路104及功能逻辑106。如所描绘的实例中所展示,HDR成像系统100包含像素阵列102,其耦合到控制电路108及读出电路104。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,以捕获由通过像素阵列102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,所述快门信号为卷帘快门信号,使得每一行像素、每一列像素或每一像素群组在连续获取窗期间被循序启用。
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。在一个实施例中,每一像素110为具有一个以上光电二极管的CMOS成像像素。如所说明,每一像素110被布置到一行(例如,行R1到Ry)及一列(例如,列C1到Cx)中以获取人物、场所或物体等等的图像数据,接着可使用所述图像数据呈现人物、场所、物体等等的图像。
在一个实例中,在每一像素110已获得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读出且接着被转移到功能逻辑106。在各种实例中,读出电路104可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑106可简单地存储图像数据或甚至通过施加后图像效果(例如,剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中,读出电路104可沿着读出列线每次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术(未说明)(例如,串行读出、同时完全并行读出所有像素)读出图像数据。可在不同时间周期期间单独读出由像素110的不同光电二极管产生的图像电荷。
图2为说明根据本发明的实施例的可实施为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。HDR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)耦合在第一光电二极管235与共用浮动扩散229之间以将第一图像电荷从第一光电二极管235转移到共用浮动扩散229。转移晶体管243(T1B)耦合在第二光电二极管245与共用浮动扩散229之间以将第二图像电荷从第二光电二极管245转移到共用浮动扩散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安置在半导体材料(例如,硅)中。
入射在像素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。第一图像电荷被产生在第一光电二极管235中且第二图像电荷被产生在第二光电二极管245中。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,第一图像电荷被转移到共用浮动扩散区域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,来自光电二极管245的第二图像电荷被转移到共用浮动扩散区域229。第一转移晶体管233及第二转移晶体管243的栅极经耦合而被单独激活(接通)。换句话说,可单独断言第一转移信号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,将积累在第一光电二极管235中的第一图像电荷通过转移晶体管233切换到共用浮动扩散区域229中。接着,第一图像信号(对应于转移到共用浮动扩散229的第一图像电荷)可通过放大器晶体管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,放大器晶体管T3224因此将放大器晶体管T3224的栅极端子处的图像信号放大成放大器晶体管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将放大器晶体管T3224的输出选择性地切换到读出列212。如实例中所展示,像素210还包含耦合到共用浮动扩散区域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而复位积累在像素210中的电荷。在一个实例中,根据本发明的实施例,可在像素210的初始化周期期间复位积累在共用浮动扩散区域229中的电荷,或例如每当已从像素210读出电荷信息之后且在第一光电二极管235及第二光电二极管245中积累电荷以获取新HDR图像之前复位积累在共用浮动扩散区域229中的电荷。
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而将在第二光电二极管245中积累的第二图像电荷通过转移晶体管243切换到共用浮动扩散区域229。第二图像信号(对应于转移到共用浮动扩散229的第二电荷)可按与第一图像信号类似的序列读出到读出列212,使得低光图像信号/数据可从第一光电二极管235读出且亮光图像信号/数据可从第二光电二极管245读出。来自像素阵列(例如,像素阵列102)中的多个HDR像素210的亮光图像数据及低光图像数据可经组合以产生HDR图像。HDR像素210可集成到前照图像传感器或背照图像传感器中。
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3为根据本发明的实施例的第一光电二极管311、第二光电二极管312、第一微透镜351、第二微透镜352、彩色滤光片330及电介质层320的横截面说明。与所说明的第一光电二极管311及第二光电二极管312安置在硅衬底310中类似,光电二极管235及245可安置在硅衬底中。说明第一光电二极管311及第二光电二极管312以说明本发明的实施例的若干方面,然而实际上,光电二极管311及312可更接近地布置在一起。
第一光电二极管311及第二光电二极管312均安置在相同的半导体材料中,所述半导体材料被说明为图3中的硅衬底310。第一光电二极管311及第二光电二极管312具有相同的最大阱容或至少经设计成相同的,但当然可归因于微小的制造工艺差异而仅实质上相等。第一光电二极管311及第二光电二极管312可为相同大小且具有相同的掺杂剂浓度以具有相同的最大阱容。在一个实施例中,第一光电二极管311及第二光电二极管312具有相同的曝光面积,其中所述曝光面积被定义为当通过光电二极管的对应微透镜的中心俯视所述光电二极管时观察到的光电二极管的面积。在一个实施例中,第一光电二极管311及第二光电二极管312的曝光面积的形状为六边形。第一光电二极管311用于捕获低光且第二光电二极管312用于捕获亮光。
第一微透镜351安置在第一光电二极管311上以朝向第一光电二极管311引导图像光399。第二微透镜352安置在第二光电二极管312上以朝向第二光电二极管312引导图像光399。第一微透镜315经设计以与第二微透镜352相同,但当然制造工艺的小差异可使第一微透镜351及第二微透镜352仅实质上相同。彩色滤光片330安置在微透镜351/352与光电二极管311/312之间。彩色滤光片330使图像光399的特定色彩(例如,红色、绿色或蓝色)通过同时实质上阻断不同于所述特定色彩的图像光。在所说明的实施例中,电介质层320安置在硅衬底310与彩色滤光片330之间。电介质层320可包含低压化学气相沉积(“LPCVD”)二氧化硅或旋涂式二氧化硅。
在图3中,半透明材料342安置在第二微透镜352与第二光电二极管312之间,而透明材料341安置在第一微透镜351与第一光电二极管311之间。透明材料341比半透明材料342更具透射性(使更多可见光通过)。结果是,与入射在第一光电二极管311上的图像光399相比,半透明材料342减小入射在第二光电二极管312上的图像光399的强度。半透明材料342不实质上影响朝向第一光电二极管引导的图像光,这是因为半透明材料342安置在第二光电二极管312上而不安置在第一光电二极管311上。在一个实施例中,半透明材料342的透射性比透明材料341低50%。
在一个实施例中,半透明材料342为大约五十纳米厚的金属层。在一个实施例中,半透明材料342包含受到氮原子的等离子体冲击以减小透明度的透明光致抗蚀剂。虽然在图3中半透明材料342被说明为具有与透明材料341相同的厚度,但半透明材料342可比透明材料342更厚且可由相同物质制成,但可简单地凭借具有增加的高度而比透明材料341阻断更多的光。在此情形中,可能将不阻断光的清透平面化层添加到透明材料341的顶部或底部,以将第一微透镜351支撑在与第二微透镜352(搁置在更厚的半透明材料342上)相同的平面上。在一个实施例中,半透明材料342及透明材料341由相同物质制成,区别仅在于透明材料341具有贯穿透明材料的厚度的全部或一部分的微狭缝或孔的阵列,使得穿过透明材料341的图像光399比穿过半透明材料342的图像光399更多。在又另一实施例中,半透明材料342可由包含添加剂(例如,二氧化钛)以根据需要调整透明度的聚四氟乙烯(“PTFE”)制成。
图4为根据本发明的实施例的第一光电二极管311、第二光电二极管312、第一微透镜351、第二微透镜352、彩色滤光片441及变暗的彩色滤光片442的横截面说明。图4具有与图3中说明的实施例的类似性,但存在某些显著的差异。在图4中,变暗的彩色滤光片442安置在第二微透镜352与第二光电二极管312之间以减小入射在第二光电二极管312上的图像光399的强度。变暗的彩色滤光片442不实质上影响引导到第一光电二极管311的图像光399。彩色滤光片441安置在第一光电二极管311与第一微透镜351之间。在一个实施例中,变暗的彩色滤光片442的透射性比彩色滤光片441低50%。变暗的彩色滤光片442及彩色滤光片441可具有类似的透射特性(允许某种色彩光谱通过同时实质上阻断所有其它可见光光谱),区别仅在于变暗的彩色滤光片442将允许更低百分比的图像光399通过。彩色滤光片441及变暗的彩色滤光片442允许相同色彩(例如,红色、绿色或蓝色)的光通过。
在图3中,半透明材料342及透明材料341控制由光电二极管311/312接收的图像光399的强度。在图4中,变暗的彩色滤光片442及彩色滤光片441控制由光电二极管311/312接收的图像光的强度。这些实施例允许第一光电二极管311是HDR像素中的低光光电二极管且允许第二光电二极管312是HDR像素中的亮光光电二极管,这是因为光电二极管311比光电二极管312接收更多的图像光399。使用滤光片控制图像光399的强度允许微透镜及光电二极管在亮光光电二极管312及低光光电二极管311中保持相同。因此,图3及4的实施例经配置使得光电二极管311/312具有类似(如果不相等)的最大阱容。使光电二极管具有相同最大阱容可增大精确度并降低信号处理的复杂性。这允许更简单的读出电路及/或减少的数字处理步骤,从而产生更快且更廉价的信号处理。图3及4的实施例还具有实质上相同的微透镜351/352,这保持光电二极管的光学特性(射线角)相同,这也降低了信号处理复杂性。
图4的实施例可提供比图3中说明的实施例更小的堆叠高度,这是因为其需要微透镜与光电二极管之间的更少的层。这可提高图4的实施例的量子效率。可使用比图4的实施例更少的过程步骤来制造图3的实施例。
图5为根据本发明的实施例的用于HDR图像传感器中的多色图像传感器像素500的平面图说明,所述多色图像传感器像素500包含四个色彩像素,所述四个色彩像素各自包含具有两个光电二极管的HDR子像素。所述四个色彩像素包含红色像素580、蓝色像素550、绿色像素560及绿色像素570。每一色彩像素包含HDR子像素,HDR子像素包含第一光电二极管(PDL)及第二光电二极管(PDB)。HDR子像素可具有与HDR像素210相同的电路配置,其中光电二极管551及光电二极管552分别像光电二极管235及光电二极管245那样放置。可使用上文结合图3及4论述的滤光片实施例来实施HDR子像素。
蓝色像素550中的HDR子像素包含第一光电二极管551(PDL)及第二光电二极管552(PDB)。绿色像素560中的HDR子像素包含第一光电二极管561(PDL)及第二光电二极管562(PDB)。绿色像素570中的HDR子像素包含第一光电二极管571(PDL)及第二光电二极管572(PDB)。并且,红色像素580中的HDR子像素包含第一光电二极管581(PDL)及第二光电二极管582(PDB)。光电二极管552、562、572及582在图5中各自阴影化以指示其安置在半透明材料342(图3实施例)或变暗彩色滤光片442(图4实施例)之下,而其邻近光电二极管551、561、571及581不安置在半透明材料或变暗的彩色滤光片之下。
图6为根据本发明的实施例的用于HDR图像传感器中的多色图像传感器像素600的平面图说明,所述多色图像传感器像素600包含四个色彩像素,所述四个色彩像素各自包含具有四个光电二极管的HDR子像素。所述四个色彩像素包含红色像素680、蓝色像素650、绿色像素660及绿色像素670。每一色彩像素包含HDR子像素,HDR子像素包含第一光电二极管(PDL)、第二光电二极管(PDB)、第三光电二极管(PDL)及第四光电二极管(PDL)。所述四个光电二极管中的每一者具有相同的最大阱容。HDR子像素可使用结合图3及4论述的滤光片实施例来实施,其中类似于第一光电二极管地配置第三及第四光电二极管。在此配置中,第一、第三及第四光电二极管收集低光图像数据,而第二光电二极管收集亮光图像数据。
蓝色像素650中的HDR子像素包含光电二极管651(PDL)、光电二极管652(PDL)、光电二极管653(PDB)及光电二极管654(PDL)。绿色像素660中的HDR子像素包含光电二极管661(PDL)、光电二极管662(PDL)、光电二极管663(PDB)及光电二极管664(PDL)。绿色像素670中的HDR子像素包含光电二极管671(PDL)、光电二极管672(PDL)、光电二极管673(PDB)及光电二极管674(PDL)。并且,红色像素680中的HDR子像素包含光电二极管681(PDL)、光电二极管682(PDL)、光电二极管683(PDB)及光电二极管684(PDL)。光电二极管653、663、673及683在图6中各自经阴影化以指示其安置在半透明材料342(图3实施例)或变暗的色彩滤光片442(图4实施例)之下,而其对应低光光电二极管不安置在半透明材料或变暗的彩色滤光片之下。
图7A说明根据本发明的实施例的包含绿色像素660的实例电路示意图,绿色像素660具有包含接收绿色光的光电二极管661、662、663及664的HDR子像素。虽然仅具体说明绿色像素660,但适当滤光片可安置在图7A中的剩余光电二极管上以包含蓝色像素650、绿色像素670及红色像素680。所属领域的技术人员还将了解图7A中的电路可经扩展以包含更多的行及列以适应彩色CMOS像素阵列。
在图7A中,图像光399将行进穿过绿色彩色滤光片以到达光电二极管661、662、663及664。光电二极管663将比光电二极管661、662及664接收更小量的图像光399,这是因为其安置在半透明材料342或变暗的彩色滤光片442之下。图像光399在光电二极管661、662、663及664中产生图像电荷。
图7B说明根据本发明的实施例对应于图7A的实例电路示意图的实例时序图。为了读出光电二极管661、662、663及664中的图像电荷,信号Tx4(n)714及Tx2(n+1)732被断言以激活转移晶体管781、782、783及784,这分别将图像电荷转移到浮动扩散791、792、793及794。转移到浮动扩散791、792、793及794的图像电荷由源极跟随器晶体管761、762、763及764放大。如图7B中所展示,行选择信号RS(n)721及RS(n+1)741在Tx4(n)714及Tx2(n+1)732被断言的同时被断言为高,这同时将经放大图像电荷信号耦合到读出列751、752、753及754上。因为经放大图像电荷信号同时存在于读出列751、752、753及754上,所以来自低光光电二极管661、662及664的信号可易于求和(在求和电路中或在模/数转换后在固件中求和)。求和三个低光信号增加总低光信号,这增加每一色彩像素的低光灵敏度。
所属领域的技术人员应了解,上文未具体论述的光电二极管、转移晶体管及信号线可用于读出包含未论述的光电二极管及转移晶体管的其它色彩像素。实际上,图7A中说明的电路可被重复以包含多色图像像素阵列以形成多色图像传感器像素阵列,从而产生HDR色彩像素。重复图7A中说明的电路并使图6中说明的多色图像像素与所述电路集成可允许对多色HDR图像像素的系统性读出。
对本发明的所说明的实例的以上描述(包含说明书摘要中描述的内容)不希望是详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然出于说明目的在本文中描述了本发明的特定实施例及实例,但如所属领域的技术人员将认识到,在本发明的范围内可能进行各种修改。
可依据以上详细描述对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。更确切地,本发明的范围应完全由应根据权利要求解释的公认准则加以解释的所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种用于高动态范围图像传感器中的图像传感器像素,所述图像传感器像素包括:
第一光电二极管,其安置在半导体材料中;
第二光电二极管,其安置在所述半导体材料中,且具有实质上等于所述第一光电二极管的第一最大阱容的第二最大阱容,其中所述第一光电二极管在所述半导体材料中邻近于所述第二光电二极管而安置;
第一微透镜,其安置在所述第一光电二极管上以朝向所述第一光电二极管引导图像光;
第二微透镜,其安置在所述第二光电二极管上以朝向所述第二光电二极管引导所述图像光,其中所述第二微透镜与所述第一微透镜实质上相同;以及
滤光片,其安置在所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间以减小入射在所述第二光电二极管上的所述图像光的强度,其中所述滤光片不实质上影响朝向所述第一光电二极管引导的所述图像光。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述滤光片为变暗的彩色滤光片,其使所述图像光的第一色彩通过同时实质上阻断不同于所述第一色彩的所述图像光,所述图像传感器像素进一步包括安置在所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间的未变暗的彩色滤光片,其中所述未变暗的滤光片使所述第一色彩通过同时实质上阻断不同于所述第一色彩的所述图像光。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述滤光片为半透明材料,所述图像传感器像素进一步包括:
比所述半透明材料更具透射性的材料,其中所述材料安置在所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间;以及
彩色滤光片,其安置在所述第一微透镜与所述第二微透镜两者下方,所述彩色滤光片使所述图像光的第一色彩通过同时实质上阻断不同于所述第一色彩的所述图像光。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其进一步包括:
共用浮动扩散;
第一转移晶体管,其安置在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用浮动扩散,其中所述第一图像电荷由入射在所述第一光电二极管上的所述图像光产生;以及
第二转移晶体管,其安置在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用浮动扩散,其中所述第二图像电荷由入射在所述第二光电二极管上的所述图像光产生。
5.根据权利要求4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以被单独激活。
6.根据权利要求4所述的图像传感器像素,其进一步包括复位晶体管,所述复位晶体管安置在所述半导体材料中且耦合到所述共用浮动扩散。
7.根据权利要求4所述的图像传感器像素,其进一步包括:
放大器晶体管,其安置在所述半导体材料中且经耦合以放大所述共用浮动扩散上的图像信号;以及
选择晶体管,其在所述半导体材料中安置在所述放大器晶体管与读出列线之间。
8.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中所述半导体材料包含硅衬底。
9.根据权利要求1所述的图像传感器像素,其中电介质层安置在所述滤光片与所述半导体材料之间。
10.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及所述第二光电二极管具有相同的曝光面积。
11.一种用于高动态范围“HDR”图像传感器中的多色图像传感器像素,所述多色图像传感器像素包括:
第一色彩像素,其用于感测图像光的第一色彩;以及
第二色彩像素,其用于感测不同于图像光的所述第一色彩的图像光的第二色彩,其中第一色彩子像素及所述第二色彩像素各自包含HDR子像素,所述HDR子像素包括:
第一光电二极管,其安置在半导体材料中;
第二光电二极管,其安置在所述半导体材料中,且具有实质上等于所述第一光电二极管的第一最大阱容的第二最大阱容,其中所述第一光电二极管在所述半导体材料中邻近于所述第二光电二极管而安置;
第一微透镜,其安置在所述第一光电二极管上以朝向所述第一光电二极管引导图像光;
第二微透镜,其安置在所述第二光电二极管上以朝向所述第二光电二极管引导所述图像光,其中所述第二微透镜与所述第一微透镜实质上相同;以及
滤光片,其安置在所述第二微透镜与所述第二光电二极管之间以减小入射在所述第二光电二极管上的所述图像光的强度,其中所述滤光片不实质上影响朝向所述第一光电二极管引导的所述图像光。
12.根据权利要求11所述的多色图像传感器像素,其中包含在每一HDR子像素中的所述滤光片为变暗的彩色滤光片,其使所述图像光的与所述多色图像传感器像素的给定色彩子像素相关联的色彩光谱通过同时实质上阻断不同于与所述给定色彩子像素相关联的所述色彩光谱的所述图像光,每一HDR子像素进一步包括安置在所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间的未变暗的彩色滤光片,其中所述未变暗的滤光片使与所述给定色彩子像素相关联的所述色彩光谱通过同时实质上阻断不同于与所述给定色彩子像素相关联的所述色彩光谱的所述图像光。
13.根据权利要求12所述的多色图像传感器像素,其中图像光的所述第一色彩为绿色且图像光的所述第二色彩为红色。
14.根据权利要求11所述的多色图像传感器像素,其中所述滤光片为半透明材料,所述HDR子像素进一步包括:
比所述半透明材料更具透射性的材料,其中所述材料安置在所述第一微透镜与所述第一光电二极管之间;以及
彩色滤光片,其安置在所述第一微透镜与所述第二微透镜两者下方,所述彩色滤光片使图像光的与所述多色图像传感器像素的给定色彩子像素相关联的所述色彩光谱通过同时实质上阻断不同于与所述给定色彩子像素相关联的所述色彩光谱的所述图像光。
15.根据权利要求14所述的多色图像传感器像素,其中图像光的所述第一色彩为绿色且图像光的所述第二色彩为红色。
16.根据权利要求11所述的多色图像传感器像素,其进一步包括:
第三色彩像素,其用于感测不同于图像光的所述第一色彩及图像光的所述第二色彩的图像光的第三色彩;以及
第四色彩像素,其用于感测图像光的所述第一色彩,其中所述第三及第四色彩像素各自包含所述HDR子像素。
17.根据权利要求16所述的多色图像传感器像素,其中所述第一色彩为绿色,所述第二色彩为红色且所述第三色彩为蓝色。
18.根据权利要求11所述的多色图像传感器像素,其中所述HDR子像素进一步包括:
第三光电二极管,其安置在所述半导体材料中;
第三微透镜,其安置在所述第三光电二极管上以朝向所述第三光电二极管引导图像光;
第四光电二极管,其安置在所述半导体材料中;以及
第四微透镜,其安置在所述第四光电二极管上以朝向所述第四光电二极管引导图像光,其中所述滤光片不实质上影响朝向所述第三及第四光电二极管引导的所述图像光。
19.根据权利要求18所述的多色图像传感器像素,其中所述第一、第二、第三及第四光电二极管经耦合以分别在第一、第二、第三及第四读出节点处被同时读出。
20.根据权利要求19所述的多色图像传感器像素,其中所述第一、第二、第三及第四光电二极管分别具有第一、第二、第三及第四转移晶体管,以从所述相应光电二极管转移出图像电荷,且其中所述第一及第二转移晶体管的第一及第二栅极耦合在一起,所述第三及第四转移晶体管具有耦合在一起的第三及第四栅极。
CN201410785588.6A 2014-05-19 2014-12-17 图像传感器像素及多色图像传感器像素 Active CN105097855B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/280,880 US9666631B2 (en) 2014-05-19 2014-05-19 Photodiode and filter configuration for high dynamic range image sensor
US14/280,880 2014-05-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105097855A true CN105097855A (zh) 2015-11-25
CN105097855B CN105097855B (zh) 2018-06-22

Family

ID=54539176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410785588.6A Active CN105097855B (zh) 2014-05-19 2014-12-17 图像传感器像素及多色图像传感器像素

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9666631B2 (zh)
CN (1) CN105097855B (zh)
HK (1) HK1213086A1 (zh)
TW (1) TWI613802B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105516695A (zh) * 2015-12-18 2016-04-20 广东欧珀移动通信有限公司 图像传感器和具有其的终端
CN108810428A (zh) * 2017-07-27 2018-11-13 思特威电子科技(美国)有限公司 成像装置、像素及方法
CN109103207A (zh) * 2017-06-20 2018-12-28 豪威科技股份有限公司 单曝光高动态范围传感器
US10313612B2 (en) 2015-12-18 2019-06-04 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Image sensor, control method, and electronic device
CN111129047A (zh) * 2018-10-31 2020-05-08 台湾积体电路制造股份有限公司 影像感测器及其制造方法
CN111316634A (zh) * 2018-12-28 2020-06-19 合刃科技(深圳)有限公司 Hdr图像成像方法、装置及系统
CN112951858A (zh) * 2019-12-11 2021-06-11 豪威科技股份有限公司 具有共享微透镜的图像传感器

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016001682A (ja) * 2014-06-12 2016-01-07 ソニー株式会社 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器
JP6664259B2 (ja) * 2016-03-31 2020-03-13 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および、移動体
CN108063905B (zh) * 2016-11-09 2020-04-14 京东方科技集团股份有限公司 像素感应电路及其驱动方法、图像传感器、电子设备
US11217613B2 (en) 2019-11-18 2022-01-04 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with split pixel structure and method of manufacturing thereof
US11647300B2 (en) 2020-12-07 2023-05-09 Omnivision Technologies, Inc. Method for forming LED flickering reduction (LFR) film for HDR image sensor and image sensor having same
KR20220085542A (ko) 2020-12-15 2022-06-22 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치
US20220352224A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-03 Omnivision Technologies, Inc. Cmos image sensor with multiple sensitivities for high dynamic range imaging and led flicker mitigation
US11810928B2 (en) * 2021-05-17 2023-11-07 Omnivision Technologies, Inc. CMOS image sensor with LED flickering reduction and low color cross-talk
US11742365B2 (en) 2021-07-12 2023-08-29 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range image sensor having reduced crosstalk and jaggy
US20230178571A1 (en) * 2021-12-06 2023-06-08 ams Sensors USA Inc. Pixel arrangement, pixel matrix, image sensor and method of operating a pixel arrangement

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006245264A (ja) * 2005-03-03 2006-09-14 New Japan Radio Co Ltd 半導体受光素子を有する集積回路
CN101939840A (zh) * 2008-02-08 2011-01-05 美商豪威科技股份有限公司 具有改良红外线敏感度的背面受光影像感测器
KR101201968B1 (ko) * 2004-12-28 2012-11-19 인텔렉츄얼 벤처스 투 엘엘씨 시모스 이미지센서 및 그의 제조방법
TW201301492A (zh) * 2011-04-28 2013-01-01 Aptina Imaging Corp 像素陣列之介電阻障

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8685596B2 (en) 2007-12-04 2014-04-01 Sharp Laboratories Of America, Inc. Semi-transparent film grayscale mask
JP5734913B2 (ja) 2011-08-31 2015-06-17 富士フイルム株式会社 感放射線性組成物、パターン形成方法、カラーフィルタ及びその製造方法、並びに、固体撮像素子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101201968B1 (ko) * 2004-12-28 2012-11-19 인텔렉츄얼 벤처스 투 엘엘씨 시모스 이미지센서 및 그의 제조방법
JP2006245264A (ja) * 2005-03-03 2006-09-14 New Japan Radio Co Ltd 半導体受光素子を有する集積回路
CN101939840A (zh) * 2008-02-08 2011-01-05 美商豪威科技股份有限公司 具有改良红外线敏感度的背面受光影像感测器
TW201301492A (zh) * 2011-04-28 2013-01-01 Aptina Imaging Corp 像素陣列之介電阻障

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105516695A (zh) * 2015-12-18 2016-04-20 广东欧珀移动通信有限公司 图像传感器和具有其的终端
US10313612B2 (en) 2015-12-18 2019-06-04 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Image sensor, control method, and electronic device
CN109103207A (zh) * 2017-06-20 2018-12-28 豪威科技股份有限公司 单曝光高动态范围传感器
CN109103207B (zh) * 2017-06-20 2022-10-28 豪威科技股份有限公司 单曝光高动态范围传感器
CN108810428A (zh) * 2017-07-27 2018-11-13 思特威电子科技(美国)有限公司 成像装置、像素及方法
CN111129047A (zh) * 2018-10-31 2020-05-08 台湾积体电路制造股份有限公司 影像感测器及其制造方法
CN111129047B (zh) * 2018-10-31 2023-01-24 台湾积体电路制造股份有限公司 影像感测器及其制造方法
US11676980B2 (en) 2018-10-31 2023-06-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Image sensor and method of making
CN111316634A (zh) * 2018-12-28 2020-06-19 合刃科技(深圳)有限公司 Hdr图像成像方法、装置及系统
CN112951858A (zh) * 2019-12-11 2021-06-11 豪威科技股份有限公司 具有共享微透镜的图像传感器
CN112951858B (zh) * 2019-12-11 2023-04-07 豪威科技股份有限公司 具有共享微透镜的图像传感器

Also Published As

Publication number Publication date
HK1213086A1 (zh) 2016-06-24
TWI613802B (zh) 2018-02-01
US20150333099A1 (en) 2015-11-19
CN105097855B (zh) 2018-06-22
US9666631B2 (en) 2017-05-30
TW201545327A (zh) 2015-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105097855A (zh) 图像传感器像素及多色图像传感器像素
US9955090B2 (en) High dynamic range image sensor with virtual high-low sensitivity pixels
US9305949B2 (en) Big-small pixel scheme for image sensors
US9608019B2 (en) Image sensor pixel for high dynamic range image sensor
US9966396B2 (en) High dynamic range image sensor with reduced sensitivity to high intensity light
TWI581415B (zh) 虛擬高動態範圍大小像素影像感測器
US20140246561A1 (en) High dynamic range pixel having a plurality of photodiodes with a single implant
US9312299B2 (en) Image sensor with dielectric charge trapping device
US10872913B2 (en) CMOS pixel, image sensor, and camera and method for reading out a CMOS pixel
CN113259607A (zh) 高动态范围图像传感器
CN106851139B (zh) 用于全局快门校正的像素电路及成像系统
US9859318B2 (en) Color and infrared image sensor with depletion adjustment layer
US9716867B2 (en) Color filter array and image sensor having the same
CN106920809A (zh) 图像传感器颜色校正
US10687003B2 (en) Linear-logarithmic image sensor
TW202332259A (zh) 降低發光二極體(led)閃爍及低顏色串擾之互補式金氧半導體(cmos)影像感測器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 1213086

Country of ref document: HK

CB02 Change of applicant information

Address after: American California

Applicant after: OmniVision Technologies, Inc.

Address before: American California

Applicant before: Omnivision Tech Inc.

COR Change of bibliographic data
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant