CN108377346A - 混合键合的图像传感器的电路和读取方法 - Google Patents

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Abstract

混合键合的图像传感器具有：具有宏单元的光电二极管裸片，每个宏单元具有至少一个光电二极管和键合连接；和具有多个超级单元的支撑电路裸片，每个超级单元具有键合至光电二极管裸片的宏单元的键合连接的至少一个宏单元单位。每个宏单元单位具有用于复位光电二极管裸片宏单元的光电二极管的复位晶体管。每个超级单元具有：可用于接收来自光电二极管的非反相输入和反相输入的差分放大器，差分放大器提供输出，每个差分放大器具有耦接至差分放大器输出和反相输入的放大器复位晶体管；耦接在输出和反相输入之间的第一电容器，和耦接在反相输入和信号接地之间的第二电容器。实施例的第一和第二电容器具有可控电容以调整增益。

Description

混合键合的图像传感器的电路和读取方法
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及混合键合的图像传感器的电路和读取方法。
背景技术
CMOS矩形阵列光电传感器阵列通常用作照相机中的图像传感器。这些阵列具有NxM(当N和M都大于1且通常不相等)个基于光电二极管的光电传感器的阵列，每个基于光电二极管的光电传感器具有至少一个选择晶体管，选择晶体管具有耦接至选择线的栅极。这些阵列通常具有布置为向光电二极管提供电荷清除功能的复位晶体管，以及一个或多个转移栅极晶体管和布置为在一个或多个位线上从光电二极管读取后曝光电荷的源极跟随晶体管；这些阵列通常还具有用于驱动转移和选择线的解码器驱动器和由位线馈入的增益放大器，且在一些实施例中可以包含其他电路。
发明内容
在实施例中，混合键合的图像传感器具有光电二极管裸片和支撑电路裸片，光电二极管裸片具有宏单元，宏单元具有至少一个光电二极管和连接点；支撑电路裸片具有多个超级单元，每个超级单元具有至少一个宏单元单位，宏单元单位具有电连接至光电二极管裸片的宏单元的连接点的连接点，电连接称为键合。每个宏单元单位具有适用于对光电二极管裸片的宏单元的光电二极管预充电的预充电或复位晶体管。差分放大器直接施加至感测节点，共享为超级单元。每个超级单元具有可配置为接收来自光电二极管的非反相输入并接收反相输入的差分放大器，差分放大器提供输出，每个差分放大器具有耦接至差分放大器输出和反相输入的放大器复位晶体管，耦接至差分放大器输出和反相输入之间的第一电容器，和耦接至反相输入和信号接地之间的第二电容器。尽管特定实施例的第二电容器被示出具有图2中的可控电容，两个电容器可以被布置为可调节电容器以便提供期望的系统增益。
在另一实施例中，使用光电二极管裸片形成数字化像素数据的方法包括复位光电二极管裸片的光电二极管，使光电二极管曝光，将来自光电二极管裸片的光电二极管的信号通过键合耦接至支撑电路裸片的宏单元电路，宏单元电路至少具有差分放大器的非反相输入晶体管。方法包括通过设置可选择电容增益控制电路的电容来配置差分放大器的增益，以及复位放大器，然后在将来自差分放大器的信号耦接至模数转换器之前，使用差分放大器放大来自光电二极管裸片的光电二极管的信号，以及由包括在模数转换器中数字化信号的步骤形成数字化像素数据。
附图说明
图1是混合键合的图像传感器的局部剖视图。
图2是实施例中示出芯片间键合和级联增益放大电路的宏单元的示意图。
图3是是增益放大电路的可选实施例的示意图。
图3A示出其中每个超级单元是图像传感器的列的实施例，具有每个宏单元单位中的放大器部分P1和超级单元的所有宏单元单位共用的放大器部分P2。
图4是增益放大电路的另一可选实施例的示意图。
图5是示出具有如图3或4所示的超级单元的图像传感器的操作的时序图。
图6是使用二级补偿放大器的增益放大电路的另一可选实施例的示意图。
图7是使用折叠级联放大器的放大电路的另一可选实施例的示意图。
图8是根据实施例的包含图像传感器的系统的框图。
图9是示出图3或图4的图像传感器的操作的流程图。
具体实施方式
典型的CMOS图像传感器具有全部在相同整体集成电路基板上制造的预充电和选择晶体管、解码器驱动器、增益放大器和光电二极管。对于晶体管以及关联的互连(例如选择和感测信号线)，这必须需要在每个光电二极管附近保留一些有源区域。随着照相机变得更小，为适应薄的设备(例如手机)且市场需求更大的像素数量，对于每个光电二极管允许越来越小的表面面积。由于信号电平取决于由每个光电二极管接收的光子，最大化专用于光电二极管的图像传感器面积的比例以保持灵敏性是期望的。
硅是最常用于CMOS电子电路的半导体材料。尽管其他半导体材料给出特定波长处改进的灵敏性，但是由那些材料设计并制造解码器、增益放大器和其他电路可能是困难的。例如，由砷化镓(GaAs)、磷化铟镓(GaInP)、铟砷化镓(InGaAs)和锗(Ge)制造的光电二极管可以响应比硅光电二极管通常响应的光的那些波长更长的波长。响应于长波长、红外光的图像传感器可以在军事和安全系统中有用。
图像传感器100(图1)由两个单独制造的集成电路裸片键合在一起构成，以形成具有两个有源层的结构：由硅或由根据图像传感器计划使用的波长选择的其他半导体材料(例如锗、砷化镓、铟砷化镓、氮化镓、碲化汞或磷化铟)制造的光电二极管层102，和以整体硅CMOS工艺制造的支撑电路层104。支撑电路层包括增益放大器、多路复用器、和类似的电路，和在一些实施例中的模数转换以及数字图像处理电路。
混合堆叠是用于交叉硅晶元表面对表面键合技术的新技术。其是硅表面级微键合技术，其允许小间距像素级芯片间键合连接并还可以用于一些其他实施例。
具有在与具有支撑电路的裸片不同的裸片上的光电二极管的像素级混合键合结构不仅许可使用光电二极管裸片面积的更大百分比用于光电二极管，还许可对于光电二极管优化光电二极管裸片的处理和材料，同时对于支持CMOS电路优化支撑电路裸片的处理。
在可选实施例中，通过在第一集成电路裸片中形成的集成电路上方沉积第二半导体层形成相似的多层结构，第一集成电路裸片具有支撑电路，且在第二半导体层中形成光电二极管。
像素级键合概念
在任一实施例中，在光电二极管裸片内的具有小组光电二极管106、110的宏单元之间，从有源层或其中制造光电二极管的集成电路裸片(此后称为光电二极管裸片)的互连至多个解码、放大、读取选择和增益放大电路位于其中的支撑电路的集成电路裸片104(此后称为支撑电路裸片)的互连，形成电接触。光电二极管裸片宏单元通常具有两个、四个或八个光电二极管。而实施例中，例如由两个单独制造的集成电路裸片形成的图1的实施例，通过实施交叉晶元混合键合技术以耦接这些互连而形成接触。
为此文档的目的，像素级键合图像传感器具有用于具有2个、4个、8个或16个光电二极管的每个宏单元的一个或多个键合。在特定实施例中，每像素键合图像传感器具有用于具有4个光电二极管的每个宏单元的键合。此外，在特定实施例中，光电二极管裸片是背侧照明光电二极管裸片。
图2，基本可调增益放大器
在实施例中，宏单元200具有光电二极管宏单元202，光电二极管宏单元202具有四个光电二极管204、206、208和210。可选实施例具有每个宏单元其他数量的光电二极管，例如每个宏单元2个、4个或8个光电二极管。每个光电二极管204、206、208和210分别通过转移栅极或选择晶体管212、214、216和218耦接至宏单元数据线220，选择(转移栅极)晶体管212、214、216和218分别由选择和转移线TX1、TX2、TX3和TX4控制。宏单元数据线220通过键合222从光电二极管裸片耦接至支撑电路，在支撑电路裸片中，宏单元数据线220耦接至由复位线226控制的宏单元预充电设备224；操作中，晶体管212-218的转移和选择晶体管由光电二极管选择线TX1-4使能，预充电设备224由复位线226激活以将光电二极管204-210的被选择的光电二极管耦接至“黑”电压电平，在复位阶段期间从光电二极管204-210的给定光电二极管排出积累的光电流电荷。在特定实施例中，顺序地激活选择晶体管以复位光电二极管。在可选实施例中，通过将光电二极管选择线TX1-TX4驱动为高，可以同时地使能宏单元的所有四个选择晶体管以复位所有四个光电二极管204-210。一旦复位，选择晶体管和预充电晶体管然后被失效且光被许可以持续曝光时间产生光电流并在光电二极管204-210中积累电荷。
不同于其中宏单元数据线220耦接至源极跟随器设备作为信号缓存的传统的图像传感器，数据线220直接地耦接至放大器230的非反相输入节点，放大器230具有通过由选择线234控制的选择晶体管232耦接至信号母线236的输出231。信号母线236耦接至附加放大器、多路复用器和模数转换器(AMP-MUX-ADC)238以提供来自图像传感器的序列化图像数据输出。
放大器230输出231通过由放大器复位线242控制的放大器复位设备240耦接至放大器230的反相输入241；放大器复位设备240与增益控制电容器244并联耦接。放大器230的反相输入241还通过可变电容器增益调整组件246耦接至地。可变电容器增益调整组件246包括固定电容器248和一个或多个电容选择晶体管250，电容选择晶体管250的每个与增益调整电容器252串联耦接并由增益调整控制线254控制。在可选实施例中，通过增益调整控制线，增益控制电容器244是可调节的，增益调整控制线使用传输门晶体管以在反相输入241和输入232之间耦接一个或多个选择的电容器。
操作期间，在光电二极管204-210已经复位且曝光持续曝光时间后，使复位设备224失效，放大器复位设备240被激活以复位放大器230。增益调整控制线254被设置为适当的增益，放大器复位设备240被关闭且光电二极管选择线TX1-4的光电二极管选择线被激活，选择晶体管232被开启。然后，光电二极管201-210的被选择的光电二极管上的图像相依电压在放大器230中被放大取决于增益调整控制线254的增益，放大的图像相依电压被提供至AMP-MUX&ADC 238，在其中被数字化用于进一步处理。使选择的光电二极管落选，并通过如先前所描述的通过对复位线242施加脉冲来复位放大器230、使用选择线TX1-4的选择线选择光电二极管、放大光电二极管电压并将放大的光电二极管电压发送至AMP-MUX&ADC238，来读取宏单元202的另外光电二极管。
尽管在混合堆叠技术的帮助下，可以将读取电路放置于第二裸片上，但是，在许多应用要求的小像素间距传感器下，仍然仅有限的空间对于电路实施是可用的。在像素级构建并实施描述的放大器系统，一般是不可能的。此发明示出用于使此实施可能的新结构。通过引入独特的系统结构实现此目标。这样的系统实施可以被总结为如下三项：
(1)传统的图像传感器使用源极跟随器作为缓存器以支持有源像素读出。在此实施例中，传统的图像像素电路中的源极跟随器由提供高系统转换增益并抑制下游噪声的高增益差分放大系统代替。
(2)仅差分放大器的小部分(在一个示例中，4个设备)被布置在簇间距中作为阵列元件，这允许以像素级构建高增益放大器系统并支持紧凑的传感器设计。
(3)缓存器中的大多数设备位于阵列核心之外并至少在宏单元的光电传感器之间共享，使能足够的电路以保证高性能模拟信号处理。
假设放大器230的开环增益足够大，放大器230的闭环增益约为1+Cvar/Cfb，其中Cvar是可变电容器增益调整组件246的电容且Cfb是固定电容器244的电容。在可选实施例中，反馈电容器244具有可配置电容并可用于调整增益。
图3，共享放大器超级单元
在包含一个或多个宏单元的超级单元300(图3)的可选实施例中，光电二极管裸片的每个宏单元(为简化未示出，与图2的相似)键合至支撑电路裸片的三晶体管宏单元单位308、310的键合触点304、306。每个宏单元单位308、310还具有由复位控制线316、316A控制的复位晶体管312、314。通常，复位线316、316A控制各自的行像素复位。此外，具有耦接至键合触点304、306的栅极的差分输入晶体管318、320在宏单元单位308、310中，差分输入晶体管318、320与级联和选择晶体管322、324串联耦接。宏单元单位308、310中的放大器输入晶体管318、320通过信号线326和328与放大器的超级单元部分连接。线326、328用作两个功能：作为级联设备以增加系统增益以及作为行选择晶体管，其允许局部放大器前端308或310通过线330成为放大器的超级单元部分并形成级联的放大器。级联线330可以耦接至附加的宏单元(未示出)以与不同行的传感器像素工作。
在特定实施例中，超级单元300(图3)、400(图4)或600(图6)表示图像传感器集成电路的光电二极管阵列的列。在图3的实施例中，级联线330变为列线，在图4的实施例中，级联线430变为列线，在图6的实施例中，线670、672表示像素的真实和补充列线。
在耦接至特定宏单元单位308的光电二极管的读取操作期间，该宏单元单位的宏单元选择线326被驱动至与通过级联偏置线332施加至共用级联晶体管334的电平匹配的高电平，同时超级单元300中的其他宏单元310的所有宏单元选择线328被驱动至低以不选择那些宏单元。被选择的宏单元308的差分输入晶体管318因此变为由选择的差分输入晶体管318、共用反相差分输入晶体管336和具有与偏置电压339耦接的栅极的电流源晶体管338形成的差分放大器的非反相输入。
差分放大器具有由互补负载晶体管340、342和级联晶体管344、346形成的电流镜像有源负载341，级联晶体管344、346由级联偏置348偏置，提供大致相当于图2的放大器230的输出231的放大器输出349。
差分放大器输出349通过增益设置反馈电容器352并通过由放大器复位线356控制的复位晶体管354耦接至反相差分输入晶体管336的栅极。反相差分输入晶体管336的栅极还耦接至具有固定电容器362和一组或多组电容选择晶体管364和可选择电容器366的可编程增益控制电容器组件360；增益控制电容器组件360的有效电容由一个或多个电容选择控制线368控制。增益控制电容器组件360担任耦接在差分放大器的反相输入和地之间的可变电容器。
超级单元输出350在一些实施例中直接从放大器输出349取得，并在一些实施例中可以通过由选择信号351控制的选择晶体管取得，并向列多路复用器和增益放大器提供信号。
图4，另一超级单元
在与图3的超级单元类似但不相同的可选实施例400(图4)中，为减少附接至每个宏单元单位308、310的互连，提供具有可选的复位晶体管412、414的可选的宏单元单位408、410。取代具有耦接至电源母线的漏极，复位晶体管412、414具有直接耦接至共用级联线430的漏极，比图3的实施例需要更少的馈入至宏单元单位408、410的母线。具有与图3的组件相同数量的图4的组件具有与对图3的相同编号的组件描述的相似的功能；在特定实施例中，差分输入晶体管318、320担任差分放大器的非反相输入，且反相差分输入晶体管336担任差分放大器的反相输入。
在图3和图4的实施例中，通过在图像传感器阵列外部且通常与图像传感器相邻的解码、驱动和偏置电压电路，提供宏单元选择线326、328、放大器复位线356、增益选择线368、电流源偏置电压339、复位线316、416、316A、416A，和级联偏置线348、332。
图3和4的实施例的时序和操作
根据图3或4的实施例根据如图5所示或如图9进一步所示的序列操作。通过施加高的行使能信号326(或328)选择例如408(或410)的给定宏单元单位。在读取数据之前，光电二极管在第一时间T1复位902，关联的光电二极管裸片宏单元的光电二极管选择线TX1-TX4被顺序地驱动为高，如是具有被复位的光电二极管的宏单元的光电二极管复位线416、416A。在实施例中，例如其中复位电压是差分放大器的输出的图4的实施例，放大器复位线RST线356也被驱动为高以将放大器的输出耦接至其输入，从而生成用于复位的参考电压；结果是宏单元的每个光电二极管上的初始电压的放置以及可以从以前的光电流保留的光电二极管上的任何存储的电荷的擦除。这些控制信号在第二时间T2被归零。复位过程还要求TX(n)在光电二极管复位信号416变低之前变低。光电二极管复位和RST脉冲然后可以对阵列的附加TX(n)线重复，如在T1a和T2a所示出的。阵列和光电二极管被允许保持空闲持续曝光延迟时间904。
在曝光延迟904(光电二极管被曝光)和将差分放大器配置906为适合的增益(在一些实施例中，可以从观察先前的图像确定)之后，在时间T3提供光电二极管复位416、416A上的脉冲以复位浮动扩散节点，即，通过在键合304、306上放置已知电压的互连，与键合关联的支撑电路裸片上的互连，每个光电二极管裸片宏单元的互连220(图2)；在相同的时间(T3)，通过将放大器复位RST线356驱动为高、将放大器输出短路至放大器的反相输入并引起放大器的输出返回至参考电压，在放大器的非反相输入节点304追踪复位信号水平，来复位908放大器。在此操作期间，由于光电二极管转移和选择线TX(n)保持为低，光电二极管上的的电荷保持不被打扰。
在放大器已经稳定后，在时间T4，在光电二极管复位后，随着RST轻微地下降，RST和光电二极管线在时间T4归零。然后，在时间T4之后的非重叠延迟，读取选择RD线234、351、645被施加脉冲以在输出母线236、350、644上提供零光或背景电压读数作为CDS实施例中的第一样本；此第一样本在放大AMP、多路复用MUX和模数转换ADC电路238中被采样。光电二极管转移和选择线(例如转移和选择线TX1)然后被激活，如在T6所示，以选择910从而将信号(电荷)从宏单元的一个被选择的光电二极管通过键合转移至支撑电路裸片上的宏单元单位中的感测节点304或602，并将此信号呈现给放大器，并然后允许放大器稳定912。然后，通过再次对RD线234、351、645施加脉冲，读取914放大器，提供至位线上，其中在时间T7由其他电路(例如模数转换器(ADC)238)采样916。
然后，对于宏单元的每个附加的转移和选择线(例如转移和选择线TX2)，以及对于与超级单元的其他宏单元关联的转移和选择线，重复时间T3-T7的读取序列，如在T3A-T7a所示的。
在“CDS”实施例(相关双采样)中，为减少噪声，在TX(n)线被施加脉冲之前但在放大器已经在放大器复位期间稳定之后，在T3和T4之间的时间，在其他电路(例如ADC)处取得909第一采样；在时间T7存储采样为第一采样的电压并从第二采样电压减去918采样为第一采样的电压，以降低噪声。
在CDS实施例中，时间T7的采样，或T7和T5采样之间的差异然后经历进一步处理，例如被数字化920。
图6，另一具有二级增益的超级单元
示于图3和4的放大器不是仅在图像传感器中有用的放大器。
在具有支撑电路裸片的每个超级单元中的二级分布式差分放大器的可选实施例600(图6)中，光电二极管裸片的宏单元通过键合耦接至支撑电路裸片的宏单元电路606、608的键合触点602、604，其中，键合触点602、604耦接至差分对的可选非反相输入晶体管610、612的栅极。每个宏单元电路606、608具有由复位线615、617驱动、耦接以驱动键合触点602、604并适用于提供电荷用于复位光电二极管的复位晶体管614、616。每个宏单元电路606、608还具有差分对的反相输入晶体管618、620，和用于为差分对提供电流的电流源和选择晶体管622、624。每个电流源和选择晶体管622、624具有连接至单独偏置和选择线626、628的栅极。
超级单元的所有非反相输入晶体管610、612的漏极一起连接至由级联晶体管630、632和电流镜设备636、638形成的有源负载635，级联晶体管630、632具有使用级联偏置线634偏置的栅极。相似地，反相输入晶体管618、620的漏极连接在一起并连接至有源负载的相对侧。反相输入晶体管618、620的漏极还耦接至包括第二级增益晶体管640的第二增益级放大器639的栅极并耦接至补偿电容器642。第二增益级晶体管640具有提供二级补偿的差分放大器的输出644的漏极。补偿电容器642耦接至放大器输出644。第一增益设置电容器646和放大器复位晶体管648连接在放大器输出644和超级单元的所有宏单元电路606、608的非反相输入晶体管618、620的栅极之间。在实施例中，如示于图6，增益设置电容器646是可调节的，包括固定电容器647，和一个或多个可选择电容器649，每个可选择电容器649通过在增益控制线653的控制下操作的电容控制晶体管651耦接。放大器复位晶体管648在放大器复位线RST 650的控制下操作。在偏置信号654的控制下操作的电流源晶体管652为第二增益级晶体管640提供负载。可变电容增益调整电容器组件656还耦接至差分放大器的反相输入，其具有固定电容器658，一个或多个选择晶体管660和一个或多个可选择电容器662；增益调整电容器组件656的选择晶体管在一个或多个增益控制线664的控制下操作。
图6的放大器以如上所描述的双采样模式是可操作的。
通过在图像传感器阵列外部且通常与图像传感器相邻的解码、驱动和偏置电压电路，提供控制线，例如偏置和选择线626、628，级联偏置线634、增益控制线664，偏置信号654和放大器复位信号650。
图7，折叠级联实施例
在具有折叠级联负载的支撑电路裸片的每个超级单元中具有分布式差分放大器的可选实施例700(图7)中，光电二极管裸片的宏单元通过键合耦接至支撑电路裸片的宏单元电路706、708的键合触点702、704，其中键合触点702、704耦接至差分对的可选择非反相输入晶体管710、712的栅极。每个宏单元电路706、708具有由复位线715、717控制的、耦接以驱动键合触点702、704并适用于提供用于复位光电二极管的电荷的复位晶体管714、716。每个宏单元电路706、708还具有差分对的反相输入晶体管718、720，和用于为差分对提供电流的电流源和选择晶体管722、724。每个电流源和选择晶体管722、724具有连接至单独的电流源偏置和选择线726、728的栅极。此选择允许负载宏单元单位706或708的电路与全局电路结合并形成完全的放大器。作为可选，NMOS 714和716的漏极侧还可以与用于复位光电二极管的专用的电源信号线连接。
超级单元的所有非反相输入晶体管710、712的漏极一起连接至折叠级联形式的有源负载和放大器739，有源负载和放大器739由具有使用级联偏置线734、735偏置的栅极的级联晶体管730、732和级联电流设备736、738形成。相似地，反相输入晶体管718、720的漏极连接在一起并连接至负载和放大器739的有源负载部分的相对侧级联电流设备738。级联晶体管730、732的输出耦接至在栅极电压738的控制下操作的级联晶体管734、736，且级联晶体管732、730耦接至电流源晶体管740、742。有源负载和放大器739提供原始输出744。提供在读取RD线748的控制下操作的读取选择晶体管746以将原始示出744耦接至输出线750。
第一增益设置电容器752(其可以是在增益控制线(未示出)的控制下操作的可配置电容电容器)和放大器复位晶体管754连接在非反相放大器输出750和超级单元的所有宏单元电路706、708的反相输入晶体管718、720的栅极之间。放大器复位晶体管754在放大器复位线RST 756的控制下操作。固定的或多数实施例中的可变电容增益调整电容器组件758还可以耦接至差分放大器的反相输入，增益调整电容器组件758具有固定电容760、一个或多个选择晶体管764、和一个或多个可选择电容器762；增益调整电容器组件758的选择晶体管在一个或多个增益控制线766的控制下操作。
图7的放大器是以如上描述的双采用模式可操作的。
通过在图像传感器阵列外部且通常与图像传感器阵列相邻的解码、驱动和偏置电压电路，提供控制线，例如偏置和选择线726、728，级联偏置线734、738，增益控制线766，和放大器偏置信号756。
图8，集成照相机
集成照相机800(图8)具有支撑电路裸片802以及键合至其的背侧照明光电二极管裸片804。支撑电路裸片具有如根据图2、3、4或6描述的与光电二极管裸片804合作担任图像传感器阵列806的超级单元支撑电路。图像传感器阵列806由行解码器808驱动，行解码器808在实施例中包括用于驱动光电二极管转移和选择线(例如图2的TX1-TX4)的宏单元光电二极管选择解码器，和用于驱动超级单元选择线(例如图2的234)、在计数器、偏置和时钟电路810的控制下操作的超级单元光电二极管选择解码器，且感测的图像数据由列感测、ADC和处理电路812处理以提供数字图像。数字图像由数字处理器814压缩并由通信电路816通信至主系统。
虽然图3、图4和图6的每个示出两个宏单元电路，但是意图是可以在支撑电路裸片的每个超级单元内提供其他数量的宏单元电路；特别可能地，整列宏单元电路可以用于特定实施例的超级单元。
组合：
在此描述的特征可以以不同组合在单个照相机系统中存在。在特征的组合中，预期的是实现在此示出的三晶体管支撑电路宏单元308(图3)、408(图4)和四晶体管支撑电路宏单元606(图6)、706(图7)任一个的组合的混合键合的图像阵列集成电路可以与示出的电流源有源负载341(图3)、635(图6)的任一个组合并与或不与第二级放大器639一起使用。相似的，预期的特征组合包括，具有在此示出的三晶体管支撑电路宏单元308(图3)、408(图4)或四晶体管支撑电路宏单元606(图6)、706(图7)的任一个与图7的折叠级联负载放大器739(与或不与第二级放大器639一起使用)的组合的混合键合的图像阵列集成电路。此外，预期的是第二级放大器639可以接收来自差分放大器的任一侧的输入。还预期的是，使用在此示出的所有三和四晶体管支撑电路宏单元308(图3)、408(图4)、606(图6)、706(图7)，具有电流源有源负载341(图3)、635(图6)或图7的折叠级联负载放大器739的任一个，与或不与第二级放大器639一起使用的实施例可以与耦接至差分放大器输出和差分放大器的反相输入之间的固定的(352，图3)或可配置(646，图6)增益设置电容器一起使用，并还可以与耦接在差分放大器反相输入和信号接地之间的固定(未示出)和可配置(360，图3；656，图6)增益设置电容器一起使用。
预期的附加组合包括：
A指定的混合键合的图像传感器，包括光电二极管裸片和支撑电路裸片；光电二极管裸片具有多个宏单元，其中每个宏单元具有至少一个光电二极管和键合触点，支撑电路裸片具有多个超级单元，每个超级单元具有至少一个宏单元单位，每个宏单元单位具有键合至光电二极管裸片的宏单元的键合触点的至少一个键合触点和适用于向光电二极管裸片的宏单元的光电二极管提供复位的复位晶体管。每个超级单元还具有可配置为接收来自光电二极管的非反相输入并接收反相输入的差分放大器，差分放大器适用于提供差分放大器输出；放大器具有耦接至差分放大器输出和反相输入的放大器复位晶体管，耦接在差分放大器输出和反相输入之间的第一电容器，和耦接在反相输入和信号接地之间的第二电容器。
AA指定的混合键合的图像传感器，包括A指定的图像传感器，其中每个光电二极管裸片宏单元具有各自通过选择晶体管耦接至键合触点的2个、4个或8个光电二极管。
AAA指定的混合键合的图像传感器，包括A或AA指定的图像传感器，其中每个超级单元用于感测混合键合的图像传感器的列的所有光电二极管。
AB指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA或AAA指定的图像传感器，其中每个超级单元具有多个宏单元单位，且差分放大器是被配置有每个宏单元单位中的非反相输入晶体管的分布式差分放大器。
AC指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA、AAA或AB指定的混合键合的图像传感器，其中第二电容器包括可变电容组件，可变电容组件包括与电容器串联耦接的至少一个电容选择晶体管。
AD指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA、AAA或AB指定的混合键合的图像传感器，其中第一电容器包括可变电容组件，可变电容组件包括与电容器串联耦接的至少一个电容选择晶体管。
AE指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA、AAA、AB、AC或AD指定的混合键合的图像传感器，其中第一电容器包括可变电容组件，可变电容组件包括与电容器串联耦接的至少一个电容选择晶体管。
AF指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA、AAA、AB、AC、AD或AE指定的混合键合的图像传感器，其中差分放大器是折叠级联负载放大器。
AG指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA、AAA、AB、AC、AD或AE指定的混合键合的图像传感器，其中差分放大器是单级放大器。
AH指定的混合键合的图像传感器，包括A、AA、AAA、AB、AC、AD或AE指定的混合键合的图像传感器，其中差分放大器是二级放大器。
AJ指定的照相机系统，包含AE指定的包括A、AA、AAA、AB、AC、AD、AE、AF、AG或AH指定的图像传感器的混合键合的图像传感器，图像传感器包括耦接以驱动阵列的宏单元的光电二极管转移和选择线，超级单元选择线和列选择线的至少一个解码器，照相机系统还具有耦接以接收来自图像传感器的数据的模数转换器，耦接至至少一个解码器的至少一个计数器，和耦接以接收来自模数转换器的数据的数字处理器。图像传感器模数转换器、计数器和数字处理器在支撑电路裸片上形成；且光电二极管裸片被配置为背侧照明。
B指定的形成数字化像素数据的方法，使用被配置有支撑电路裸片的光电二极管裸片以便光电二极管裸片的1个、2个、4个或8个光电二极管各自通过选择晶体管耦接至键合，键合耦接至支撑电路裸片的宏单元，方法包括：预充电光电二极管裸片的光电二极管；曝光光电二极管；通过设置可选择电容增益控制电路的电容来配置差分放大器的增益并复位差分放大器；将来自光电二极管裸片的光电二极管的信号通过键合耦接至支撑电路裸片的宏单元电路，宏单元电路至少包括差分放大器的非反相输入晶体管；使用差分放大器放大来自光电二极管裸片的光电二极管的信号；将来自差分放大器的信号耦接至模数转换器；以及由包括在模数转换器中数字化信号的步骤形成数字化的像素数据。
BA指定的方法包括B指定的方法，其中，光电二极管裸片包括光电二极管裸片宏单元，每个光电二极管裸片宏单元包括多个光电二极管，多个光电二极管各自通过选择晶体管耦接至键合。
BB指定的方法包括B或BA指定的方法，其中，差分放大器形成耦接至多个光电二极管裸片宏单元的超级单元的部分，且其中差分放大器是被配置有与每个光电二极管裸片宏单元关联的非反相输入晶体管的分布式差分放大器。
BC指定的的方法包括B、BA或BB指定的方法，其中，超级单元对应于图像传感器阵列的列。
BD指定的的方法包括B、BA、BB或BC指定的方法，其中，对于每个信号，采样两次位线，在数字化第二采样之前从第二采样减去第一采样。
结论
在不脱离其范围的情况下，可以对上述方法和系统做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有通用和特定特征，以及本方法和本系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。

Claims (15)

1.一种混合键合的图像传感器，包括：
光电二极管裸片，包括多个宏单元，其中每个宏单元包括至少一个光电二极管和连接点；
支撑电路裸片，包括多个超级单元，每个超级单元包括至少一个宏单元单位，每个宏单元单位包括键合至所述光电二极管裸片的宏单元的所述连接点的至少一个连接点和适用于复位所述光电二极管裸片的宏单元的光电二极管的复位晶体管；以及
每个超级单元包括：
差分放大器，可配置为接收来自光电二极管的非反相输入并接收反相输入，所述差分放大器适用于提供差分放大器输出；
放大器复位晶体管，耦接至所述差分放大器输出和所述反相输入；以及
耦接在所述差分放大器输出和所述反相输入之间的第一电容器，以及耦接在所述反相输入和信号接地之间的第二电容器。
2.如权利要求1所述的混合键合的图像传感器，其中，每个光电二极管裸片宏单元包括两个、四个、八个或十六个光电二极管，每个光电二极管通过转移和选择晶体管耦接至连接点。
3.如权利要求2所述的混合键合的图像传感器，其中，每个超级单元用于感测所述混合键合的图像传感器的列的全部光电二极管。
4.如权利要求1所述的混合键合的图像传感器，其中，每个超级单元包括多个宏单元单位，且其中每个超级单元的所述差分放大器是被配置有每个宏单元单元中的非反相输入晶体管的分布式差分放大器。
5.如权利要求3所述的混合键合的图像传感器，其中，所述第二电容器包括可变电容组件，所述可变电容组件包括与电容器串联耦接的至少一个电容选择晶体管。
6.如权利要求3所述的混合键合的图像传感器，其中，所述第一电容器包括可变电容组件，所述可变电容组件包括与电容器串联耦接的至少一个电容选择晶体管。
7.如权利要求3所述的混合键合的图像传感器，其中，所述差分放大器是折叠级联负载放大器。
8.如权利要求3所述的混合键合的图像传感器，其中，所述差分放大器是单级放大器。
9.如权利要求3所述的混合键合的图像传感器，其中，所述差分放大器是二级放大器。
10.一种照相机系统，包含如权利要求3所述的混合键合的图像传感器，所述图像传感器还包括耦接以驱动所述光电二极管裸片的宏单元的光电二极管选择线并驱动超级单元选择线的至少一个解码器，所述照相机系统还包括：
模数转换器，耦接以接收来自所述图像传感器的数据，
至少一个计数器，耦接至所述至少一个解码器，以及
数字处理器，耦接以接收来自所述模数转换器的数据；
其中所述模数转换器、所述计数器和所述数字处理器在所述支撑电路裸片中形成；以及
其中所述光电二极管裸片被配置用于背侧照明。
11.一种形成数字化像素数据的方法，所述方法使用被配置有支撑电路裸片的光电二极管裸片以便所述光电二极管裸片的1个、2个、4个或8个光电二极管各自通过转移和选择晶体管耦接至键合，所述键合耦接至所述支撑电路裸片的宏单元，所述方法包括：
复位所述光电二极管裸片的光电二极管；
曝光所述光电二极管；
通过设置耦接以向差分放大器的反相输入提供反馈的可选择电容增益控制电路的电容来配置差分放大器的增益，并复位所述差分放大器；
将来自所述光电二极管裸片的光电二极管的信号通过所述键合耦接至所述支撑电路裸片的宏单元电路，所述宏单元电路至少包括所述差分放大器的非反相输入晶体管；
使用所述差分放大器放大所述来自所述光电二极管裸片的光电二极管的信号；
将来自所述差分放大器的信号耦接至模数转换器；以及
由包括在所述模数转换器中数字化信号的步骤形成所述数字化像素数据。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述光电二极管裸片包括光电二极管裸片宏单元，每个所述光电二极管裸片宏单元包括多个光电二极管，所述多个光电二极管各自通过选择晶体管耦接至所述键合。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述差分放大器形成耦接至所述多个光电二极管裸片宏单元的超级单元的部分，且其中所述差分放大器是被配置有与每个光电二极管裸片宏单元关联的非反相输入晶体管的分布式差分放大器。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述超级单元对应于图像传感器阵列的列。
15.如权利要求12所述的方法，其中，对于每个光电二极管读取，采样两次位线，在数字化第二采样之前从所述第二采样减去第一采样，所述第一采样使用非激活光电二极管选择线取得，所述第二采样使用激活光电二极管选择线取得。
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