CN109844950A - 带有金属覆盖的光学黑色像素的图像传感器 - Google Patents

带有金属覆盖的光学黑色像素的图像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN109844950A
CN109844950A CN201780064717.4A CN201780064717A CN109844950A CN 109844950 A CN109844950 A CN 109844950A CN 201780064717 A CN201780064717 A CN 201780064717A CN 109844950 A CN109844950 A CN 109844950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pixel
light
row
circuit
electrode
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
CN201780064717.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109844950B (zh
Inventor
J·帕克
C·坦纳
E·曼德利
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.)
InVisage Technologies Inc
Original Assignee
InVisage 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 InVisage Technologies Inc filed Critical InVisage Technologies Inc
Publication of CN109844950A publication Critical patent/CN109844950A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109844950B publication Critical patent/CN109844950B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H04N23/11—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths for generating image signals from visible and infrared light wavelengths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14605—Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14665—Imagers using a photoconductor layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14689—MOS based technologies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/10—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming different wavelengths into image signals
    • H04N25/11—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/40—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled
    • H04N25/44—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled by partially reading an SSIS array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/571—Control of the dynamic range involving a non-linear response
    • H04N25/575—Control of the dynamic range involving a non-linear response with a response composed of multiple slopes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H04N25/621—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming
    • H04N25/623—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming by evacuation via the output or reset lines
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current
    • H04N25/633—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current by using optical black pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors

Landscapes

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

Abstract

本发明提供了成像装置(100,200,1200)，所述成像装置包括半导体基板(312)和像素电路(1202,1204)的阵列(202)，所述像素电路阵列在所述半导体基板上被布置成矩阵形式并且限定所述装置的相应像素(212)。像素电极(1208)分别耦合到所述像素电路，并且感光膜(1206)形成在所述像素电极上方。至少部分透明的公共电极(1207)形成在所述感光膜上方。不透明金属化层(1214)形成在所述像素中的一个或多个上的所述感光膜上方，并以欧姆接触方式耦合到所述公共电极。控制电路(208,1212)被耦合以经由所述不透明金属化层向所述公共电极施加偏压，同时使用从其上方形成有所述不透明金属化层的所述像素中的一个或多个接收的信号校正来自所述像素的所述输出值的黑电平。

Description

带有金属覆盖的光学黑色像素的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求以下美国临时专利申请的权益，这些专利申请的公开内容以引用方式并入本文：
2016年10月20日提交的美国临时专利申请62/410,792；
2016年10月20日提交的美国临时专利申请62/410,793；
2016年10月20日提交的美国临时专利申请62/410,797；
2016年10月21日提交的美国临时专利申请62/411,497；
2016年10月21日提交的美国临时专利申请62/411,517；
2016年10月21日提交的美国临时专利申请62/411,519；以及
2016年10月21日提交的美国临时专利申请62/411,522。
技术领域
本发明整体涉及图像感测设备，并且具体地涉及用于増强基于膜的图像传感器的性能的电路和方法。
背景技术
在基于膜的图像传感器中，基于硅的转换阵列覆盖有感光膜，诸如包含量子点分散体的膜(本文中称为“量子膜”)。转换阵列可与本领域已知的互补金属氧化物夹层(CMOS)图像传感器中所用的那些类似，通过合适的电极耦合到膜上，以便读出由于入射光而聚积在膜的每个像素中的光电荷。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了增强的图像传感器设计和用于操作具有增强性能的图像传感器的方法。
因此，根据本发明的实施方案提供了成像装置，该成像装置包括半导体基板和像素电路阵列，该像素电路阵列在半导体基板上被布置成矩阵形式并限定装置的相应像素。像素电极分别耦合到像素电路。感光膜形成在像素电极上方。至少部分透明的公共电极形成在感光膜上方。不透明金属化层形成在这些像素中的一个或多个上的感光膜上方，并以欧姆接触方式耦合到公共电极。控制电路被耦合以经由不透明金属化层向公共电极施加偏压，并且由于响应于偏压的施加而由像素电极聚积的光电荷从像素电路接收信号，并且将接收到的信号转换为相应的像素输出值，同时使用从其上方形成有不透明金属化层的像素中的一个或多个接收的信号校正输出值的黑电平。
在一些实施方案中，感光膜包括量子膜。
在本发明所公开的实施方案中，不透明金属化层被进一步图案化以充当连接到控制电路的一个或多个接触垫。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于制造图像传感器的方法。该方法包括在半导体基板上以矩阵形式形成像素电路阵列，以便限定图像传感器的相应像素。相应的像素电极耦合到像素电路。感光膜形成在像素电极上方。至少部分透明的公共电极形成在感光膜上方。不透明金属化层形成在这些像素中的一个或多个上的感光膜上方，同时以欧姆接触方式将不透明金属化层耦合到公共电极。控制电路被耦合以经由不透明金属化层向公共电极施加偏压，并且由于响应于偏压的施加而由像素电极聚积的光电荷从像素电路接收信号，并且将接收的信号转换为相应的像素输出值，同时使用从其上方形成有不透明金属化层的像素中的一个或多个接收的信号校正输出值的黑电平。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的操作性的相机模块的示意性侧视图；
图2是根据本发明的一个实施方案的示例性图像传感器的示意性俯视图；
图3A至图3C是根据本发明的实施方案的图像传感器的示例性像素的示意性截面侧视图；
图4A和图4B是根据本发明的实施方案的示意性地示出图像传感器中的像素电路的电路图；
图5是根据本发明的一个实施方案的具有选择性读出能力的图像传感器的示意性俯视图；
图6和图7是根据本发明的实施方案的示意性地示出由图像传感器中的行逻辑施加的定时信号的时序图；
图8是根据本发明的一个实施方案的示出用于控制图像传感器中的行逻辑的指针流的表；
图9是彩色图像传感阵列的示意性俯视图，示出了根据本发明的一个实施方案的用于校正串扰的方法；
图10和图11是图像传感器中两个像素的感测节点处的电压的曲线图，示出了根据本发明的一个实施方案的重置锁定信号的用途和效果；
图12是图像传感器的一部分的示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施方案形成的光学黑区；
图13是根据本发明的一个实施方案的双图像传感器组件的示意性截面图；
图14是根据本发明的另一个实施方案的具有双感测区的成像模块的示意性截面图；
图15是根据本发明的另一实施方案的具有双图像感测区的图像传感器芯片的示意性俯视图；
图16是根据本发明的一个实施方案的图像传感器的一部分的示意性截面图，示出了自动对焦像素的示例性具体实施；
图17是根据本发明的另一个实施方案的包括自动对焦像素的图像传感器的一部分的示意性俯视图；
图18是根据本发明的又一个实施方案的包括自动对焦像素的图像传感器的一部分的示意性俯视图；
图19是根据本发明的一个实施方案的图像传感器的一部分的示意性截面图，示出了自动对焦像素的另选具体实施；
图20A是根据本发明的一个实施方案的具有增强的高主光线角度接受性的图像传感器的示意性截面图；
图20B是图20A的图像传感器的示意性俯视图；
图21是根据本发明的另一个实施方案的具有增强的高主光线角度接受性的图像传感器的一部分的示意性俯视图；以及
图22是根据本发明的又一个实施方案的具有增强的高主光线角度接受性的图像传感器的一部分的示意性截面图。
具体实施方式
系统概述
本文所述的图像传感器可用于任何合适的成像设备内，诸如照相机、光谱仪、光传感器等。图1示出了可利用图像传感器100的相机模块102的一个示例，该图像传感器可以如下所述的任何方式进行配置。相机模块100可包括透镜系统104，该透镜系统可将入射光引导并聚焦到图像传感器102上。尽管在图1中示出为单个元件，但应当理解，透镜系统104实际上可包括多个透镜元件，其中的一些或全部可相对于彼此固定(例如，通过透镜镜筒等)。相机模块102可任选地被配置成移动透镜系统104和/或图像传感器102以执行自动对焦和/或光学图像稳定。
相机模块还可包括可沿光学路径放置的一个或多个任选的滤光器，诸如滤光器106。滤光器106可反射或以其他方式阻挡某些波长的光，并且可基于滤光器的效果基本防止这些波长的光到达图像传感器102。例如，当图像传感器被配置为测量可见光时，滤光器106可包括红外截止滤光器。虽然在图1中示出为位于图像传感器102和透镜系统104之间，但滤光器106可被定位成覆盖透镜系统104(相对于入射光)或者可被定位在透镜系统104的透镜之间。
图2示出了如本文所述的示例性图像传感器200的顶视图。图像传感器200可包括成像区域，该成像区域包括像素阵列202，该像素阵列可包括可用于将入射光转换为电信号的第一多个像素212。在一些情况下，像素阵列202可包括遮挡区域210，该遮挡区域包括相对于入射光被遮挡(例如，被光阻挡层覆盖)的至少一个像素(例如，第二多个像素)。仍可从这些像素中的一些或全部中读出电信号，但由于在理想情况下没有光到达这些像素，因此从这些像素中测量的电流可表示与图像传感器的一个或多个组件相关联的暗电流。图像传感器200(或相关联的处理电路)可在图像捕获和/或处理期间补偿暗电流水平。
图像传感器200还可包括行电路204和列电路206，它们可共同用于将各种信号(例如，偏置电压、重置信号)传送到各个像素以及从各个像素读出信号。例如，行电路204可被配置为同时控制给定行中的多个像素，而列电路206可将像素电信号传送到其他电路以进行处理。因此，图像传感器200可包括控制电路208，该控制电路可控制行电路204和列电路206以及执行图像传感器200的输入/输出操作(例如，并行或串行IO操作)。该控制电路可包括模拟电路(例如，提供偏压和参考电平的电路)和数字电路(例如，图像增强电路、用于临时存储像素值行的行缓冲器、控制全局设备操作和/或帧格式的寄存器组)的组合。
图3A是可用于本文所述的图像传感器(诸如以上关于图2描述的图像传感器200的像素阵列202)的示例性像素300的示意性横截面侧视图。像素300可包括像素电路层302和覆盖像素电路层302的感光材料层304。像素电路层302包括用于将控制信号施加到感光材料层304并从该感光材料层读取电荷的像素电路。
感光材料层304可被配置成吸收光子并响应于光子吸收而产生一个或多个电子-空穴对。在一些情况下，感光材料层304可包括由量子点形成的一个或多个膜，诸如美国专利No.7,923,801中所述的那些，该专利全文以引用方式并入本文。感光材料层304的材料可被调谐以改变感光材料层304的吸收特征，由此图像传感器可被配置为根据需要吸收某些波长(或波长范围)的光。应当理解，虽然已经讨论并且通常示出为单层，但感光材料层304可由多个子层制成。例如，感光材料层可包括不同感光材料层的多个不同子层。
附加地或另选地，感光材料层304可包括执行附加功能的一个或多个子层，诸如在感光材料层304和像素电路层302之间提供化学稳定性、粘附性或其他接口属性或者用于促进跨感光材料层304的电荷转移。应当理解，感光材料层304的子层可任选地被图案化，使得像素电路的不同部分可与感光材料层304的不同材料进行交互。出于本专利申请中所讨论的目的，感光材料层304将作为单层被讨论，但应当理解，可基于图像传感器的所需构成和性能来选择单个层或多个不同的子层。
就本文所述的图像传感器包括多个像素而言，在一些情况下，感光材料层304的一部分可横向跨越图像传感器的多个像素。附加地或另选地，感光材料层304可被图案化，使得感光材料层304的不同区段可覆盖不同的像素(诸如其中每个像素具有其自身的感光材料层304的单个区段的实施方案)。如上所述，感光材料层304可位于与像素电路层302不同的平面中，诸如相对于入射在其上的光在读出电路上方或下方。也就是说，光可在不穿过读出电路所在的平面(通常平行于感光材料层的表面)的情况下接触感光材料层304。
在一些情况下，可能希望感光材料层304包括一个或多个直接带隙半导体材料，而像素电路层302包括间接带隙半导体。直接带隙材料的示例包括砷化铟和砷化镓等。如果导带中的空穴和电子的动量与价带中的空穴和电子的动量相同，则材料的带隙是直接的。否则，带隙是间接带隙。在其中像素电路层302包括间接带隙半导体并且感光材料层304包括直接带隙半导体的实施方案中，感光材料层304可促进光吸收和/或减少像素到像素的串扰，而像素电路层302可有利于电荷存储同时减少残余电荷俘获。
像素电路层302中的像素电路通常包括用于向感光材料层304的至少一部分施加偏压的至少两个电极。在一些情况下，这些电极可包括在感光材料层304的公共侧上的横向间隔开的电极。在其他变型中，两个电极位于感光材料层304的相对侧上。在这些变型中，像素300可包括位于感光材料层306上方的顶部电极304。在包括顶部电极的实施方案中，图像传感器被定位在成像设备内，使得入射光在到达感光材料层306之前穿过顶部电极304。因此，可能希望顶部电极306由导电材料形成，该导电材料对图像传感器被配置为检测的光的波长是透明的。例如，顶部电极306可包括透明导电氧化物。在一些情况下，电极306可跨越图像传感器的多个像素。附加地或另选地，电极306可任选地被图案化到单个电极中，使得不同的像素具有不同的顶部电极。例如，可存在寻址图像传感器的每个像素的单个顶部电极，每个像素一个顶部电极或者多个顶部电极，其中至少一个顶部电极寻址多个像素。
在一些情况下，像素300还可包括覆盖感光材料层304的一个或多个滤光器308。在一些情况下，一个或多个滤光器对于像素阵列可以是公共的，这可等同于将图1的滤光器106移动到图像传感器102中。附加地或另选地，一个或多个滤光器308可用于在像素阵列的不同像素或像素区域之间提供不同的过滤。例如，滤光器308可以是滤色器阵列的一部分，诸如Bayer滤光器、CMY滤光器等。
另外，在一些变型中，像素300可包括覆盖像素的至少一部分的微透镜。微透镜可有助于将光聚焦到感光材料层304上。
图3B是像素301的变型的示意性横截面侧视图，其更详细地示出了像素电路层302的一部分。与图3A中所述部件相同的部件用与图3A中相同的标号标记。像素电路层302可包括共同执行图像传感器的偏压、读出和重置操作的半导体基板层312和/或一个或多个金属层(在本文中统称为金属叠层314)。半导体基板层312可包括半导体材料或材料(诸如硅、锗、铟、砷、铝、硼、镓、氮、磷、其掺杂型式)的组合。在一个或多个实施方案中，半导体层312包括间接带隙半导体(例如，硅、锗、锑化铝等)。在像素电路包括金属叠层314的情况下，金属层可被图案化以形成可被诸如SiO2之类的电介质绝缘的触点、通孔或其他导电通路。应当理解，可使用传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺形成金属叠层314和相关联的互连电路。
如图3B所示，金属叠层314可包括像素电极316，其连同第二电极(例如，横向间隔电极或顶部电极306)可在图像传感器的一个或多个操作期间向感光层提供偏压。金属层还可在金属叠层314和半导体基板层312之间形成通孔，以在两者间提供连接。
为了便于在像素内收集和转移电荷，例如，一个或多个晶体管、二极管和光电二极管可形成在半导体基板层312中或上，并且与金属叠层314的部分适当地连接以形成光敏像素和用于从像素收集和读取电荷的电路。像素电路层302可有利于保持存储的电荷，诸如从感光层收集的电荷。例如，半导体基板层312可包括感测节点318，该感测节点可用于临时存储从感光层收集的电荷。金属叠层314可包括提供从像素电极316到感测节点318的路径的第一互连电路。虽然图3B中示出金属叠层314在没有居间电路的情况下在像素电极316和感测节点318之间提供直接通路，但应当理解，在其他情况下(诸如在下文参考图4B描述的电路中)，一个或多个居间电路元件可位于像素电极316和感测节点318之间。
图3C示出了像素303的另一变型，其类似于图3B的像素301(其中与图3B中相同的部件用相同的数字标记)，不同的是像素303包括多个单独的感光层，其各自均可提供电信号。如图3C所示，像素303可包括第一感光层304a和覆盖第一感光层304a的第二感光层304b。绝缘层324可将第一感光层304a与第二感光层304b分开，使得每个感光层可被独立地偏压。因此，像素303可包括多个电极，以向第一光敏层304a和第二光敏层304b中的每一个提供相应的偏压。例如，在图3C所示的变型中，像素303可包括连接到第一感光层304a的第一电极316、连接到第二感光层304b的第二电极322以及围绕像素303的周边的至少一部分连接到第一感光层和第二感光层的一个或多个公共电极(显示为两个电极306a和306b，尽管这些电极可组合成单个电极)。
为了到达第二感光层304b，第二电极322的至少一部分可穿过第一感光层304a和绝缘层324的一部分。第二电极322的该部分可以是绝缘的，以使第二电极与第一光敏层304a绝缘。可经由第一电极316和公共电极将第一偏压施加到第一感光层304a，并且可经由第二电极322和公共电极将第二偏压施加到第二感光层304b。虽然在图3C中示出为共享一个或多个公共电极，但是第一感光层和第二感光层不需要共享任何电极。例如，第一感光层和第二感光层(以及对应的电极)可以任何合适的方式进行配置，诸如在美国专利申请公布2016/0155882中描述的那些方式，该专利申请的内容全文以引用方式并入本文中。
每个感光层可以使得感光层可被独立地偏压、读出和/或重置的方式连接到像素电路。具有不同的感光层可允许像素独立地读出不同波长(或波长带)和/或读出具有不同灵敏度水平的信息。例如，第一感光层304a可连接到第一感测节点318，而第二感光层304b可连接到第二感测节点320，它们在某些情况下可被独立地读出以提供分别表示由第一感光层和第二感光层收集的光的单独电信号。
图4A和图4B示出了可用于偏压、读出和重置单个像素的示例性像素电路。虽然图4A示出了三晶体管(3T)实施方案以及图4B示出了四晶体管(4T)实施方案，但应当理解，这些只是示例性电路，并且可使用任何合适的像素电路来执行这些操作。例如，合适的像素电路实施方案描述于美国专利申请公布2017/0264836、2017/0208273和2016/0037114中，这些专利申请中每一个的内容全文以引用方式并入本文。
转到图4A，像素电路可被配置为施加第一偏置电位VBiasT，该第一偏置电位可施加到感光层400(例如，经由诸如如上所讨论的顶部电极的第一电极)。感光层400还可连接到感测节点402(例如，经由如上所讨论的像素电极)。感测节点402可经由重置开关404(其由重置信号RESET控制)连接到第二偏置电位VBiasB。重置开关404可用于在图像传感器的操作期间在各个点处重置感测节点402。图4B的像素电路与图4A的像素电路相同，不同的是在图4B中像素电路包括位于感光层400和感测节点之间的转换开关410。转换开关可用于促进感光层400和像素输出之间的电荷转移。
感测节点402还可连接到源极跟随器开关406的输入，其可用于测量感测节点402中的变化。源极跟随器开关406可使其漏极连接到电压源VSUPPLY，并且其源极与选择开关408的漏极一起连接到公共节点(由选择信号SELECT控制)。选择开关408的源极继而连接到输出总线COLUMN。当选择开关408接通时，由跟随器开关406检测到的感测节点402的变化将经由选择开关408传递到总线用于进一步处理。
本文所述的图像传感器可被配置为使用卷帘快门或全局快门技术来读出图像。例如，为了使用图4A的像素电路执行卷帘快门读出，可执行第一重置以在集成之前重置感测节点。可打开重置开关404以将感测节点402重置到第二电位VBiasB。闭合重置开关404可以发起积聚周期，在此期间可采取一个或多个测量来测量感测节点402的电位(其可随着感光层吸收光而变化)。第二重置可结束积聚。后续帧的第二重置和第一重置之间的周期可取决于帧读出速率。
类似地，图4A的像素电路可调节第一电位VBiasT以实现全局快门操作。在这些情况下，第一电位VBiasT可在积聚期间以第一电平被驱动，而在积聚期之外以第二电平被驱动。可选择第一电位VBiasT的第二电平，使得感光材料中生成的电荷不被像素电极收集。第一重置可用于在积聚开始时将像素电极和感测节点重置至第二电位VBiasB。在积聚期间(其可跨图像传感器的多行同时发生)，感测节点电位可基于感光层400所吸收的光的量而变化。在积聚之后，第一电位VBiasT可返回到第二电平，并且感测节点上的电荷可被读出。第二重置可再次将感测节点重置至第二电位，并且感测节点的第二读数可被读出。例如，可在相关双采样(CDS)操作中使用多个读数。
由于选择性读出而减少伪影
图5是根据本发明的一个实施方案的具有选择性读出能力的图像传感器500的示意性俯视图。如前述附图所示，图像传感器500包括感光介质(诸如量子膜)以及半导体基板上的像素电路阵列。这些像素电路限定像素阵列502，其被布置成行和列的矩阵形式。在该图和其他图中，行在阵列上水平延伸，而列垂直延伸，但“行”和“列”的这种指定是任意的，并且仅为了简单起见和清楚地说明。像素电路将控制信号施加到感光介质的相应区域并从其中读出光电荷。为此，如所示和所述的，行逻辑504将控制信号施加到每行中的像素，以便重置和读出来自感光介质的光电荷。
图像传感器500能够选择性地读出，意味着在给定图像帧期间读出包括多行的某些行或窗口，而其余行被裁剪或跳过。为此，控制电路(例如，图2中的控制电路208)对行逻辑504进行编程以选择像素电路的第一组行(称为有效行)，以从给定图像帧中的感光介质的相应区域读出光电荷。同时，与第一组不相交的第二其余组的行(称为跳过行和裁剪行)中的像素电路在给定图像帧期间不读出聚积的光电荷。(在该上下文中，术语“不相交”按照其常规的数学含义使用，以指示第一组和第二组没有共同的行。)例如，第一组行可限定包括属于第一组的多个阵列行的裁剪窗口，而第二组中的多个连续行不包括在裁剪窗口中。附加地或另选地，第一组和第二组中的至少一些行在像素矩阵中相继地交织。
尽管图5示出了单个读取行与单个跳过行的交替模式(一个此类模式在行M开始而另一个在行P中开始)，但是其他交替模式也是可能的。例如，在彩色图像传感器中，行逻辑504可被编程为读取交替的行对(两个读取行之后是两个跳过行等)。又如，不是以1:2的比率对行进行子采样，而是如图5所示，可以较低分辨率对行进行子采样，其中对于读出的每一行，跳过两行/三行或更多行。
在本领域已知的图像传感器中，读出的所有行都经历相同的重置过程。如果传感器被编程为进行子采样(即，在读出时跳过行)，或者如果其被编程为仅读出一个裁剪区域，则跳过行或裁剪行不会经历这种常规的重置过程。在此类情况下，感光介质的像素随后可表现出其暗电流或响应或两者的差异，这取决于它们先前是否被有效行读取、是否包括常规重置或是否先前已被跳过并且因此未被重置的行读取。然后，当传感器从子采样模式切换到常规模式或从裁剪模式切换到全帧模式时，这种差异可能不期望地出现在图像中。
为了避免这类伪像，本发明的实施方案中的行逻辑504被编程为控制像素电路，使得在任何给定帧中，有效行和跳过行中的所有像素电路将重置信号施加到其感光介质的相应区域。有效行中的像素电路同时施加这些重置信号和采样信号，以便读出给定帧中聚积的光电荷。但是，在跳过行中，只需要施加重置信号。
更具体地讲，在示例性实施方案中，行逻辑504具有以下特征：
1.行逻辑504以与有效行相同的方式重置像素阵列的每一行(包括跳过行和裁剪行)。
2.对于跳过行和裁剪行的这种附加重置可以非常快，因为这些行中的像素未被采样(即，这些行未被读出)，因此无需解决来自这些行的信号以用于精确的数字化。使用快速重置可减少对行时间的影响，从而增加可实现的帧速率。
3.子采样模式中跳过行的重置可与相邻有效行的重置和读出同步，这意味着在相邻行刚要开始读取相位之前重置未使用的行。
4.可在不同的时间(帧速率允许)或与有效行的读出并行地重置顶部和底部的裁剪行。
5.只要有效行的数量大于跳过行和裁剪行的数量，则可重置跳过行和裁剪行而不会显著影响图像传感器500的帧速率。否则，当跳过行和裁剪行的数量大于有效行时，需要重置被跳过和裁剪的行可能会导致帧速率下降。
图6和图7是示意性地示出由行逻辑504施加的可能的定时信号的时序图，包括在两种不同操作模式下的跳过和裁剪重置：
图6示出了串行重置模式，其中在任何给定时间最多重置一行。在积聚重置信号之后，将重置信号施加到有效行，并相继地及时添加跳过和裁剪重置。这些顺序重置将略微增加行时间(从而降低帧速率)。但是，由于跳过行和裁剪行中的像素永远不会被读出，因此可在这些行中执行像素重置，其持续时间相对于有效行中的重置非常短，如上所述。因此，对行时间的影响将是最小的，如图6所示。
图7示出了并行重置模式，其中一些或全部重置同时施加到有效行以及跳过行和裁剪行。在这种配置中，跳过和裁剪重置不会增加行时间，因此帧速率不会增加。然而，在这种情况下，行逻辑504中的重置电路应该具有足够的驱动能力才能同时重置更大的行数，例如以仅重置三个有效行所花的相同时间量内重置图7所示的示例中的五行。
重新参见图5所示的示例，根据以下读出格式对图像传感器500进行编程：
a.裁剪从L到M-1、从O到P-1、从Q到R的行。
b.读取行M，M+2，…O-2，P，P+2，…Q-2。行M，M+2，…O-2可为暗读取行，包含光学黑色像素，其在每帧中被读出并用于暗电平校准。
c.跳过行M+1，M+3，…O-1和P+1，…Q-1。
上述读取、跳过和裁剪区域是可编程的，并且可由控制电路208逐帧修改。例如，可通过设置适当的指示行逻辑504关于哪些行将被读出和哪些行将被跳过或被裁剪的行地址指针或标记来执行编程。
图8是根据本发明的一个实施方案的示出用于控制行逻辑504的指针流的表。表中的每一列都示出了给定行时间的读取、跳过和裁剪指针的地址。在每个行时间，指针从表中的一列前进到下一列。因此，在第一行时间内，读取指针地址为M，跳过指针地址为M+1，裁剪指针地址为L。在下一行时间，指针地址分别前进到M+2、M+3和L+1，依此类推。行逻辑504根据每个行时间的指针位置施加行重置和读出信号。当指针完成对其类型的所有行的遍历时，它将保持在对应的停放地址，直到下一帧开始。表中的最后一列表示垂直消隐周期。
以上方案以举例的方式示出和描述，并且行逻辑504可另选地以其他方式进行设计和编程，所述其他方式仍提供未读行的期望重置。裁剪和跳过区域的数量可以编程为包括暗行、有效行或任何其他类型的行。
附加地或另选地，跳过和裁剪指针的数量可大于其中之一，并且也可以是可编程的。因此，例如，如果读取行的数量小于未使用的裁剪行的数量，并且帧速率是一个问题，则可增加裁剪指针的数量，使得所有未使用的裁剪行将在读取指针完成遍历所有读取行时被重置。又如，如果子采样比率大于1:2，则可增加跳过指针的数量以匹配针对每个有效行要重置的附加的跳过行数量。因此，对于1:3的子采样，可能存在两个跳过指针。当仅使用裁剪或仅使用子采样(行跳过)时，可以仅启用裁剪指针或仅启用跳过指针，但不同时启用两者。
指针的移动方向可以是从底部到顶部(竖直翻转模式)，而不是从顶部到底部，如图8所示。另选地，指针可从顶部和底部开始并会聚到阵列的中间。
作为另一种选择，重置脉冲的持续时间可在不同的行和区域之间变化。这种变化可用于补偿区域之间的响应变化，包括由于材料变化或在图像传感器上使用不同类型的光敏材料而引起的变化。对于高动态范围(HDR)图像传感器，当从子采样HDR模式切换到非HDR模式时，为了补偿这些行类型响应的任何差异，不同积聚时间对应的行之间的脉冲持续时间可以不同。
减轻相邻像素之间的串扰
在基于膜的图像传感器中，存在将感光介质与每个像素中的像素电路连接的金属层的叠层，例如，如上文在图3B和图3C中所示。这些金属叠层可能对相邻像素中的金属叠层之间以及金属叠层和像素读出线之间的电串扰敏感。这种电串扰取决于金属层的尺寸和几何形状，以及光强度。这可导致不期望的现象，诸如色偏、色散以及传感器阵列的不同列之间的増益不匹配。
在本发明的一些实施方案中，图像传感器中或与图像传感器相关联的控制电路(诸如图2中所示的控制电路208)基于一个或多个相邻像素的信号电平对每个像素应用校正以便消除这种串扰的影响。换句话讲，当控制电路从图像传感器中的像素电路接收对应于从感光介质的相应区域读出的光电荷的信号，并将信号转换成相应的像素输出值时，它校正了来自感光介质的相邻区域的光电荷的串扰。这种校正通常在将来自图像传感器的信号数字化之后逐行地数字化地施加，但是它也可另选地在数字或模拟电路中施加到处理流水线中的其他点。
图9是彩色图像传感阵列900的示意性俯视图，示出了根据本发明的一个实施方案的用于校正串扰的本发明方法。在该示例中，滤色器阵列覆盖在阵列900的感光介质(诸如量子膜，如前图中所示)上，并且限定感光介质的对应区域中不同颜色的像素902。在本发明的实施方案中，控制电路针对来自不同颜色的相邻像素的串扰校正每种给定颜色的相应像素输出值。
因此，在图示示例中：
-偶数列偶数行中的像素表示为Gbi。
-奇数列偶数行中的像素表示为Bi。
-奇数列奇数行中的像素表示为Ri。
-偶数列奇数行中的像素表示为Gri。
此处i为整数。此外，如图所示：
-B0、Gb0、R0和Gr0是要校正串扰的像素。
-Gb1、Gb2、B1、B2、R1、R2、Gr1和Gr2为上述像素的左右相邻像素，即来自阵列902的相应行的读出中的前一和后一像素900。
-B0’、Gb0’、R0’和Gr0’是校正后的新像素输出值
控制电路通过将来自阵列900的每个输出值减少与沿阵列900的行从前一像素、后一像素或两者中读出的光电荷成比例的量来校正串扰。为此，控制电路可存储加权系数表。然后，控制电路通过将从前一像素和/或后一像素接收的信号乘以加权系数来减小每个像素的输出值，以得到加权校正，并从每个像素信号中减去相应的加权校正。加权系数可具有固定值，或者它们可另选地根据从前一像素和/或后一像素接收的信号而变化，以便补偿非线性效应。
参见图9和上文列出的像素定义，经校正的像素输出值计算如下：
B0’＝e·B0–b1·Gb1–b2·Gb2
Gb0’＝e·Gb0–a1B1–a2·B2
Gr0’＝o·Gr0–d1·R1–d2·R2
R0’＝o·R0–c1·Gr1–c2·Gr2
通常，系数a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1和d2是范围[0,1]中的浮点数，o和e是范围[1,+无穷大]中的浮点数(尽管在实践中，o和e通常限于范围[1,2])。
另选地，可应用单侧串扰校正，其中每个像素被认为仅受其前一像素或后一像素的影响。在这种情况下，只能使用左相邻像素(即，b2＝a2＝d2＝c2＝0)或仅使用右相邻像素(即，b1＝a1＝d1＝c1＝0)。另选地，串扰校正可以是成对的，使得每个像素对中的左像素用于校正右像素，并且该对的右像素用于校正左像素(在这种情况下b1＝a2＝d1＝c2＝0)。
通常，上述校正在硬件逻辑中实现。单侧方法(特别是使用成对校正)具有较低功耗和门数的优点。本发明人已发现，系数可使用系数的整数部分的两位值和小数部分的八位值以足够的精度表示。为了进一步节省逻辑，系数o和e可以固定为值1，并且其余系数的整数部分可固定为0。
上述校正既适用于彩色和单色传感器，也适用于可见光和红外传感器，但通常具有不同的系数值。
可使用分段线性查找表来处理非线性串扰，以对强度相关系数建模。在这种情况下，控制电路将读出并使用与相邻像素的感测信号电平相对应的最接近系数。此类查找表可以是自校准的，其中由控制电路对系数值进行重新编程。另选地，可存储器中为每个图像传感器预先编程用于不同强度设置的串扰系数，例如使用一次性可编程(OTP)存储器。
减轻邻行之间的串扰
在诸如上述那些的基于膜的图像传感器中，在像素阵列的邻行的感测节点之间存在电容耦合。当在卷帘快门模式下操作时，像素电路在阵列的行上以滚动顺序将控制信号施加到感光介质的相应区域(诸如量子膜)并从其中读出光电荷。换句话讲，虽然同一行中的像素具有相同的定时，但是施加到每个连续相邻行中的像素的重置和读出信号相对于前一行被偏移一个行时间(ΔTrow)，通常大约10μs。
给定行j中的每个像素在脉冲积聚重置信号(RST2)被施加到行中的像素的感测节点时开始积聚光电荷，并且随后在施加读出信号之后读出积聚电荷，该信号再次重置像素(RST1)。通常在行j的RST2和RST1之间的积聚间隔期间施加下一行j+1的积聚重置脉冲RST2。行j+1中的RST2可导致行j+1中像素的感测节点上的电压急剧跳跃多达若干伏，其在行j积聚间隔期间电容耦合到该行中的相邻像素的感测节点中。这种串扰可导致相邻像素的读出电压的显著偏差，特别是当在使用短的积聚时间时。
本发明的实施方案通过修改行控制逻辑(例如，图2中的行电路204或图5中的行逻辑504)来解决这种串扰问题，以使得能够在每个图像帧中施加附加锁定信号(RST3)：在积聚重置信号RST2之前，，将RST3锁定信号施加到栅极404(图4A/B)，以将感光介质设置并保持在基线电压至少一个行时间。(这种锁定信号在阵列的前一行中在积聚重置信号之前或与其一起施加。)然后，在锁定信号之后施加重置信号RST2，并且从基线电压释放感光介质，从而引发像素电路对光电荷的积聚。在重置信号之后施加读出信号RST1，并且转换已从阵列中积聚的光电荷。
图10是图像传感器中两个像素的感测节点(VSN)处的电压的曲线图，示出了根据本发明的一个实施方案的重置锁定信号的使用和效果。一行中给定像素的感测节点处的电压由上部曲线1002示出，而阵列中下一行中的相邻像素的电压由下部曲线1004示出。假设图像传感器是电子聚积传感器，使得感测节点上的电压在重置后下降。重置和读出信号(RST2和RST1)在曲线1004中恰好比在曲线1002中晚一个行时间出现。为了示出锁定信号RST3的效果，该锁定信号仅在曲线1004中示出，但通常锁定信号可施加到所有行。
在图示示例中，像素电路在短的积聚时间(即，RST2和RST1之间的时间跨度与从RST1到下一个RST2的时间相比较小)下操作，并且下部像素以比上部像素快得多的速率(例如，由于来自明亮物体的入射光子的更高速率)聚积光电荷。因此，下部像素在重置时经历大的电压摆动，导致曲线1002中的串扰伪像1006。如果曲线1002中的RST2和RST1之间的积聚时间期间发生这种伪像，则将导致从上部像素读出的信号发生显著变化。
然而，在本发明的实施方案中，在上部像素的重置信号RST2之前并因此在上部像素的积聚时间开始之前，将锁定信号RST3施加到下部像素。施加到下部像素的锁定信号RST3和重置信号RST2之间的时间跨度ΔT，足以确保串扰伪像1006将在上部像素处的积聚时间开始之前发生，使得通过将重置信号RST2施加到上部像素将串扰基本上归零。
图11是根据本发明的另一个实施方案的示出空穴聚积图像传感器中重置锁定信号的使用和效果的曲线图。空穴聚积传感器的重置锁定信号RST3的操作和效果与图10的电子聚积传感器类似，不同的是电压变化方向相反。在图11中，当前像素的感测节点处的电压由上部曲线1102示出，而阵列中下一行中的相邻像素的电压由具有串扰伪像1106的下部曲线1104示出。
重置锁定信号的各种实施模式是可能的。例如，指针系统可用于以上文参考图8描述的方式控制行逻辑504。然后，图像传感器的行时间将包括由对应的读取指针限定的读取阶段、具有对应的重置指针的一个或多个重置阶段以及将每行在该行的积聚重置之前保持在重置状态的一个或多个附加重置锁定指针，如上所述。在行的积聚重置刚要开始之前禁用锁定重置。特定行可被保持在重置状态的行时间数量是可编程的，使得基于锁定的串扰减少可在两个或更多个相邻行上延伸。然而，为了避免强光滞后，感测节点处的电压应保持在基线不超过必要的最短持续时间，这意味着在大多数情况下像素应被锁定期间的最佳行时间数为2。
为了防止图像传感器输出的图像中的静态带，希望电路活动对于所有行是相同的。为此，锁定指针可在阵列的垂直消隐行中以与有效行中相同的方式运行。在上文描述的基于指针的行逻辑的具体实施中，锁定指针可在垂直消隐期间遍历停放行(通常包括两个或更多个此类行)。
每行中的行逻辑接收每个积聚重置指针的一个锁定指针。因此，可以为给定帧中的每一行限定多个积聚周期。每个积聚周期由相应的锁定信号发起，然后是重置信号，其中选择定时以避免与每个积聚周期中的每一个中的前一行或多行发生串扰。锁定和重置信号的定时也可适用于其中图像传感器的像素被子采样(跳过像素或像素行)或合并在一起的配置。
在一些实施方案中，执行所谓的“硬/软重置”操作可能是有利的，其中首先将像素刷新至显著低于电源(VDDA)的电压，之后使重置晶体管进入亚阈值状态以实现较低的kTC噪声。在这种情况下，锁定像素经历一系列“硬/软”重置(在并行模式中每行一个或在串行模式中每行三个)，并且首先解锁像素然后执行类似于由读取指针执行的常规像素重置可能是有利的。
其他实施方案适用于利用反馈电路的像素噪声降低方案，该反馈电路在重置期间直接驱动像素以抑制噪声波动。为了有利于这些类型的噪声消除技术，仅将当前像素读出至列总线(其被反馈电路用作输入)，并且在锁定行与列总线断开连接的情况下执行锁定行操作(即，选择晶体管关闭，例如，如图4A/B所示)。
光学黑色像素的有效具体实施
如先前参考图2所述，图像传感器200包括被称为遮挡区域210的光学黑区，其中像素212不接收光。在本领域中已知的图像传感器中，将诸如有机黑色层的光学不透明层沉积在这些像素上方以阻挡入射光。控制电路208在暗电流补偿和固定图案噪声的校正中使用来自这些像素的信号。
图12是根据本发明的一个实施方案的图像传感器1200的一部分的示意性截面图，示出了此类光学黑区的更有效具体实施。图像传感器1200包括半导体基板和像素电路阵列，该像素电路阵列在半导体基板上被布置成矩阵形式并限定相应像素，如前述附图所示。在图12中，金属层Mx中的像素电路1202和1204分别限定光感测像素和黑色像素。像素电路1202和1204通过通孔1210连接到形成在金属层My中的相应像素电极1208。像素电极1208接触形成在像素电极上方的感光膜1206，诸如量子膜。至少部分透明的公共电极1207形成在感光膜1206上方。
控制电路1212经由居间触点1216和不透明金属化层1214向公共电极1207施加偏压，其与公共电极进行欧姆接触。不透明金属化层1214形成在金属层Mz中并且在图像传感器1200的像素上的感光膜1206上方延伸，所述像素被指定为黑色像素，诸如由图12中的像素电路1204限定的像素。因此，不透明金属化层1214起到将电偏压施加到公共电极1207并光学阻挡光到达黑色像素的双重目的。层1214的这种双重用途减少了生产图像传感器1200所需的工艺步骤的数量。缓冲层1218覆盖公共电极1207的一部分(如图所示)，或可在公共电极的整个表面上方延伸。
由于响应于向公共电极1207施加偏压而由像素电极1208聚积的光电荷，控制电路1212接收来自像素电路1202、1204…的信号，并且将接收到的信号转换为相应像素输出值。控制电路使用从黑色像素接收的信号来校正输出值的黑色电平，作为参考，在该黑色像素上方形成不透明金属化层1214。标记为Mz的这种相同的不透明金属化层可被进一步图案化以用于其他目的，诸如形成连接到控制电路1212的较厚的接触垫1220。
公共基板上的双图像传感器
在针对身份验证、增强现实和虚拟现实的成像应用中，通常希望同时在可见光谱区域和红外光谱区域中捕获相同场景的图像。用于识别和标识目的的某些图像特征在红外光谱中被更好地捕获，然后这些特征可与可见光谱中的图像组合以用于人类观察和记录。当以相同的视场和像素计数同时捕获可见光图像和红外图像时，也可以组合这两个图像以产生深度信息。通过这种方式，特定于某些波长的特征提取可与深度和颜色信息结合。虽然结合可见光和红外感测的成像方案在本领域中是已知的，但它们往往受到实际限制和高成本的影响，这限制了此类方案在商业应用中的采用。
本发明的一些实施方案使用基于感光膜的图像传感器(诸如量子膜传感器)的独特特性解决了双可见光/红外相机解决方案的需求。在此类解决方案中，量子膜被沉积在半导体晶片(诸如硅晶片)上方，该半导体晶片例如在沉积膜之前具有通过CMOS工艺制造的限定像素的合适电路。由于量子膜可被调谐为对可见光谱或红外光谱敏感，因此可在同一晶片上的两个像素电路阵列上方图案化两种不同类型的量子膜，其中量子膜下方的所有部分都是相同的。另选地，可在两个像素电路阵列上方形成相同类型的量子膜，同时添加合适的滤光层以选择将入射在每个量子膜上的波长。在任一种情况下，具有不同波长范围的两个阵列(例如，一个对可见光敏感而另一个对红外线敏感)可彼此相邻地制造成具有相同的节距和电路行为并且阵列之间具有精确控制的间隔。
图13是根据本发明的一个实施方案的这类双图像传感器组件1300的示意性截面图。半导体基板(诸如硅晶片1302)包括多个感测区域，在本示例中包括两个此类感测区域1306和1308。感测区域可在几何上对应于晶片1302上的不同相邻管芯，因为它们被图案化为具有相同的像素电路阵列1312，并且它们被分开预定距离，该预定距离对应于在相邻管芯之间通常留空(未图案化)的“街道”1310。然而，在这种情况下，感测区域1306和1308将不会被分割开，而是作为同一芯片的部分保持在一起。像素电路1312在感测区域1306和1308中限定相应的像素矩阵。
形成在晶片1302上方的膜层1304包括分别在感测区域1306和1308中的像素电路阵列1312上方的感光膜1314和1316。可在膜1314和1316之间的层1304中形成与街道1310具有大致相同宽度的间隔物1318。在图示示例中，膜1314和1316包括不同的相应材料，其分别对不同光谱带中的入射辐射敏感，例如如图所标记的可见光带和红外带。膜1314响应于相应光谱带中入射的辐射而将光电荷输出到像素电路1312，并且感测区域1306和1308因此输出可在时间和空间上相互配准的可见光和红外图像信号。
另选地，膜1314和1316可包括具有在可见光谱带和红外光谱带两者之上延伸的光谱响应的相同的膜。在这种情况下，具有合适通带的一个或多个光学滤光器可被覆盖或以其他方式叠加在膜层1304的前面，以便区分膜的光谱响应。(下文参考图14描述这类布置。)还另选地或除此之外，此类光学滤光器可与波长选择性量子膜结合使用。此外，尽管为了简洁和清楚起见，本示例具体地涉及组合可见光和红外感测的成像组件，但这些实施方案的原理可扩展到可见光、红外和/或紫外范围内的光谱带的任何合适组合，其中两个、三个或更多像素阵列在同一芯片上，每个像素阵列具有其自身的光谱带。
进一步另选地，膜1314和1316以及感测区域1306和1308可被配置为感测相同的波长带，但可能具有不同的灵敏度水平。
感测区域1306和1308之间的间距可针对要使用组件1300的应用的特定要求来设定。例如，可选择间距以通过关联可见光图像和红外图像中显现的对象的位置来实现立体成像。假设组件1300安装在具有瞳孔直径为0.6mm且光圈数为2的透镜的微型相机模块中，则模块的近似角分辨率在940nm处将为0.1°。为了匹配该角度分辨率，例如，对于位于5m处的对象感测区域1306和1308之间的对应视差距离为9.1mm。
另选地，与组件1300相关联的光学器件可将不同的相应视场成像到感测区域1306和1308上。例如，视场可被部分重叠，其中感测区域1306被配置用于广角成像，感测区域1308被配置用于远摄操作。
虽然感测区域1306和1308中的像素电路1312具有相同的几何形状，但它们可以不同的方式操作。例如，可见光感测区域1306可以卷帘快门模式操作，而红外感测区域1308以全局快门模式操作。这种操作模式可方便地与结构化红外光结合地使用，该结构化红外光可与全局快门定时同步脉冲以降低组件的功耗以及减少环境背景对结构光图像的影响。全局快门红外感测区域可感测结构化光图案以提供深度信息，而可见光感测区域提供二维图像信息。另选地，在具有或不具有适当波长的结构光的情况下，红外感测区域可以卷帘快门模式操作，而可见光感测区域以全局快门模式操作。
图14是根据本发明的另一个实施方案的具有双感测区域1306、1308的成像模块1400的示意性截面图。感测区域1306和1308具有与上述类似的设计和配置。然而，在本发明的实施方案中，两个感测区域上方的感光膜包括添加有合适的滤光器的相同的膜1402，如下所述。在膜1402上方形成与像素电路1312的阵列配准的微透镜阵列1404。成像光学器件1406将场景的相应图像聚焦到感测区域1306和1308上方的膜1402上。另选地，可使用单个成像透镜(简单或复合)将图像聚焦到两个感测区域上。
当在两个感测区域上方形成相同的膜1402时，可将具有可见光通带的光学滤光器1408插入到感测区域1306的光学路径中，而将具有红外通带的另一光学滤光器1410插入到感测区域1308的光学路径中。另选地或除此之外，光学滤光器层1412和1414可沉积在感测区域1306和/或1308上的膜1402上方。例如，滤光器层1412可包括与感测区域1306中的像素配准的滤色器阵列(CFA)，诸如Bayer滤光器阵列。在这种情况下，滤光器1408可被配置为阻挡红外线辐射，并且滤光器层1414可由透明间隔物替换。另选地，模块1400可仅包括滤光器层1412和1414，而无需添加滤光器1408和1410。
图15是根据本发明的另一个实施方案的具有双图像感测阵列1502和1504的图像传感器芯片1500的示意性俯视图。如上所述，感测阵列1502和1504被配置为分别感测两个不同光谱带(诸如可见光带和红外带)中的光。然而，在这种实施方案中，控制电路形成在半导体基板上并与两个传感阵列1502和1504中的像素电路通信。因此，在这种情况下，在前述实施方案中，阵列之间不存在空白的“街道”。这样共享控制电路可用于减少芯片面积和成本，以及促进阵列1502和1504之间的紧密同步和积聚。
阵列1502和1504是行对齐的，因此在两个阵列的每一行中共享公共行解码器和驱动器电路1506，它们是读出电路的定时引擎的核心。另一方面，列解码器和模拟/数字转换电路1508包括用于两个感测阵列的单独组件。逻辑和输出接口1510执行更高级别的片上处理并将输出接口驱动到其他设备，从而输出来自阵列1502和1504两者的图像数据。阵列1502和1504之间共享的其他电路1512可包括诸如定时引擎和控制每个单独阵列的操作模式等功能，例如使得能够在一个阵列中使用卷帘快门而在另一个阵列中运行全局快门。
在另一个实施方案中(附图中未示出)，传感阵列1502和1504是列对齐而不是行对齐的。在这种情况下，感测阵列逐列地共享公共列解码器和模拟/数字转换电路1508，而行解码器和驱动器电路1506分别耦合到两个阵列中的每一个的行。在其他方面，阵列1502和1504之间的资源共享类似于图15中所示的资源共享。
图15的配置支持阵列1502和1504之间的其他种类的资源共享。例如，不透明层可形成在一个阵列中的一个或多个像素上的感光膜上方，以产生遮挡区域210(如图2所示)。芯片1500上的控制电路(诸如逻辑和输出接口1510)使用来自阵列中的一个中的遮挡区域中的像素的信号来校正阵列1502和1504两者中的像素输出值的黑色电平。
又如，行解码器和驱动器电路1506可驱动阵列1502和1504上方的公共电极，以向阵列上的感光膜施加偏压，从而使得能够由于聚积的光电荷而读出信号。对应于顶部电极306(如图3所示)的这些公共电极为至少部分透明，并且形成在两个阵列上的感光膜上方。在一些实施方案中，行解码器和驱动器电路1506将阵列1502和1504的公共电极偏压在公共电位。另选地，行解码器和驱动器电路1506将公共电极偏压在不同的相应电位。
基于相位差的自动对焦像素设计
相机系统在许多应用中使用自动对焦(AF)以确保在距相机不同距离处的场景相关部分被采集为对焦图像平面。一些自动对焦系统使用由相机的图像传感器输出的图像信息来估计图像传感器与相机透镜的最佳距离。然后，机载机电组件将透镜位置驱动到距图像传感器的最佳距离。
为了改善自动对焦性能，一些相机基于由图像感测阵列中被划分成两个子像素的特定像素输出的信号，使用双像素自动对焦，特别是基于相位差的自动对焦。例如，通过在某些像素上方将金属罩制造成使得遮挡每个此类像素的感测区域的一半来形成这些特定像素。相位差自动对焦逻辑比较划分的子像素的输出，以便估计图像是否处于聚焦状态，并因此提供反馈，以便驱动透镜快速会聚到图像聚焦的位置。
本发明的一些实施方案提供了特别适用于其中诸如量子膜的感光介质覆盖在像素电路阵列上的图像传感器的另选类型的自动对焦像素，所述像素电路阵列在半导体基板上被布置成规则网格形式。像素电路将控制信号施加到感光介质的相应区域并从其中读出光电荷，从而限定阵列中的像素。术语“规则网格”用于表示由像素电路限定的阵列中的像素的中心在水平和垂直方向上以相等的间隔间隔开。在典型的阵列中，网格被布置成使得阵列中的像素有效地为正方形或矩形。另选地，可将像素布置在另一类网格上，诸如六边形网格。
本发明的实施方案中的自动对焦像素与阵列中其余像素的不同之处在于，自动对焦像素的像素电路包括相对于常规网格以不同方向在空间上偏移的导电组件，诸如像素电极或像素电极下方的另一金属层。空间偏移不仅可表示为导电组件的偏移，而且还可表示导电组件在偏移方向上的放大。在任一情况下，由于这些相同的导电组件出现在阵列中的所有像素中(尽管通常在常规位置而非偏移位置)，因此可将自动对焦像素制造为阵列的一部分而无需任何附加工艺步骤。
物镜光学器件，诸如透镜104(图1)，将对象的图像聚焦到图像传感器的感光介质上。控制电路，诸如电路208(图2)或片外电路(未示出)，从像素电路读出光电荷，并比较从其中导电组件在不同方向上偏移的自动对焦像素对输出的光电荷。控制电路基于该比较来调节物镜光学器件的焦点设置。
图16是根据本发明的一个实施方案的图像传感器1600的一部分的示意性截面图，示出了自动对焦像素的示例性具体实施。图像传感器1600包括被诸如量子膜的感光介质1604覆盖的半导体基板1602，诸如硅晶片。像素电路阵列1606(诸如像素电路层302中的电路(图3A至图3C))在基板1602上形成为规则网格形式。像素电路1606包括像素电极1616，该像素电极被布置成规则网格形式并且通过通孔1618连接到其他电路组件，从而使像素电路能够将控制信号施加到感光介质1604的相应区域并从其中读出光电荷。在该示例中，图像传感器1600的像素被镶嵌滤光器1612和相应的微透镜1614覆盖。
与由像素电路1606限定的成像像素的规则网格相反，像素电路1608和1610限定一对自动对焦像素：在图中左侧的自动对焦像素中，像素电极1616向右偏移，而图中右侧的自动对焦像素中的像素电极向左偏移。假设像素的宽度和高度为1.1μm，并且电极1616的宽度和高度为0.35μm，则将自动对焦像素的像素电路1608和1610中的电极偏移0.1μm，将使这些像素对从像素一侧进入相对于从另一侧进入的光的灵敏度增加1.5到2倍。这种灵敏度差异足以使控制电路在比较图16所示的一对自动对焦像素的输出时检测失衡，并因此相应地校正透镜的焦点设置。
图17是根据本发明的另一个实施方案的包括自动对焦像素1704的图像传感器1700的一部分的示意性俯视图。如在前述实施方案中的那样，像素1702限定规则网格，其中像素电极1616在这些像素内居中。然而，在自动对焦像素1704中，像素电极1616相对于像素网格1702在相反方向上偏移。控制电路可以上述方式使用来自自动对焦像素1704的信号。
图18是根据本发明的又一个实施方案的包括自动对焦像素1804的图像传感器1800的一部分的示意性俯视图。在这种情况下，同样，像素1802限定规则网格，其中像素电极1616在这些像素内居中。然而，在自动对焦像素1804中，像素电极1806同时相对于像素网格1802在相反方向上偏移并且相对于其余像素电极被放大。像素电极1806的区域的这种放大与偏移合在一起，可使这些像素对从像素一侧进入相对于从另一侧进入的光的灵敏度增加2到3倍。
图19是根据本发明的一个实施方案的图像传感器1900的一部分的示意性截面图，示出了自动对焦像素的另选具体实施。如上文参考图16所述，图像传感器1900的大多数元件与图像传感器1600的元件类似，因此用相同的参考标号标记。然而，图19示出了像素电路1902的规则网格内的附加金属层1906。金属层1906不仅可用作像素电路内的导电组件，还可将已通过感光介质1604的光反射回感光介质，从而增强对应像素的灵敏度。
在由像素电路1904限定的自动对焦像素中，金属层1906被不对称地放大，从而在这些像素中相对于阵列中的其余像素产生偏移。这种偏移的效果由图19中的箭头示出，其表示以相对大的角度入射在自动对焦像素上的入射光。每个自动对焦像素中的金属层1906将像素一侧上的成角度的光线反射回介质1604中，但不反射另一侧上的光线，从而增强相应像素优先地对来自不同方向的入射光的灵敏度。
尽管在前述示例的每一个中仅示出了单对自动对焦像素，但在典型使用中，可形成这种类型的多个像素对，其中由于像素电极或其他金属层的偏移，每对中的空间相位相反。使用多个自动对焦像素将确保有足够数量的自动对焦样本，以便基于图像的选定区域(可由用户选择或由自动对焦控制器自动选择)来检测最佳焦距。还可能希望在自动对焦像素的分布中包括一定的不规则部分，以避免原本可能遇到的混叠效应。
当选择图像传感器的给定区域进行聚焦时，自动对焦控制器分析两组子图像：一个子图像包括优先地对从一个方向(例如，从左侧)到达的光敏感的自动对焦像素，并且另一子图像包括优先地对来自另一方向(例如，来自右侧)的光敏感的像素。在失焦图像区域中，来自场景的空间频率信息将被不同地(以不同的相位)映射到“左”子图像和“右”子图像上。自动对焦控制器使用这种差异作为确定透镜到成像器距离所需的变化的基础。当基于“左”子图像和“右”子图像的图像同相(其中子图像之间具有最大相关性)时，控制器认为感兴趣区域中的图像处于焦点。
为了在图像的各个区域上精确地找到正确的焦距，希望图像传感器包括大量自动对焦像素。同时，希望这些像素在不用于自动对焦测量时继续提供图像信息。本发明的实施方案的一个优点在于，自动对焦像素将以与图像感测阵列中的其余像素类似的方式继续响应入射光强度，但由于像素电路的金属组件的位置和/或尺寸的不同，像素灵敏度可能略有修改。由于阵列中自动对焦像素的位置是已知的，它们的信号输出可例如通过联机图像信号处理器(ISP)来校正，以校正灵敏度差异。另选地或除此之外，当彩色镶嵌膜覆盖在图像传感器上时，ISP可从相同颜色的其他邻近像素内插自动对焦像素的值。
尽管上文呈现的示例中的一个涉及特定尺寸的像素，但本发明的实施方案的原理也可应用于创建尺寸更大或更小的自动对焦像素。还可定制自动对焦像素的特性和布局，以将聚焦光中要使用的特定透镜的像差和主光线角度特征拟合到所考虑的图像传感器上。换句话讲，可特定于每个像素相对于感测阵列的中心的位置的方式来选择导电组件的偏移和/或放大。
具有増强的高主光线角度接受性的图像传感器
在包含具有透镜组件的图像传感器的相机模块中，通常希望整个模块的z方向高度(即，与图像平面垂直的维度)保持尽可能低，同时保持具有期望焦距和光圈数的宽视场。当透镜组件被制成较短时，图像传感器边缘处的入射光的主光线角度变得更高，即，距图像平面的法线更远。这种高的主光线角度导致阵列边缘处的灵敏度损失。
为了减少常规的基于硅的图像传感器中的这些损失，滤色器阵列(CFA)的微透镜和元件可朝向阵列的中心向内偏移，其中随着距中心的距离增加，偏移径向增大。由于偏移，更多的较高角度的光在阵列的边缘处被收集。
在包括覆盖在像素电路阵列上的感光介质(诸如量子膜)的图像传感器中，像素电极充当由在感光介质中吸收的光子生成的光电荷的收集器。本发明的实施方案利用这种特征通过使像素电极相对于阵列的中心径向向外偏移来增加像素对高主光线角度的光的灵敏度。这种特征可单独地应用或与上述微透镜偏移结合应用。
图20A和图20B示意性地示出了根据本发明的一个实施方案的具有增强的高主光线角度接受性的图像传感器2000的一部分。图20A是截面图，而图20B是俯视图。图像传感器2000包括覆盖在像素电路阵列上的感光介质2004，该像素电路阵列在半导体基板2002(诸如硅晶片)上被布置成规则网格形式并且限定图像传感器的相应像素2006。每个像素在滤色器阵列中具有对应的滤光器元件2008和将入射光聚焦到像素上的微透镜2010。
像素电极2012从感光介质2004的相应区域读出光电荷到阵列的每个像素2006中的像素电路。为了适应阵列的外围区域中增加的主光线角度，像素电极2012相对于像素的规则网格在远离阵列的中心的相应方向上在空间上偏移。在包括在感光介质2004上形成对象的图像的物镜光学器件(诸如透镜系统104(图1))的相机模块中，阵列外围区域中像素电极的空间偏移可根据物镜光学器件聚焦在感光介质上的光的主光线角度来设定，从而使外围区域中的灵敏度损失最小化。
像素电极2012的偏移，作为相对于阵列中心的径向距离和方向的函数，可从像素到像素递增地应用。另选地，为了便于图像传感器2000的设计和生产，可将偏移批量应用于不同的像素组，使得在每组的所有像素中应用相同的像素电极偏移。
图21是根据本发明的另一个实施方案的具有增强的高主光线角度接受性的图像传感器2100的一部分的示意性俯视图。在这种情况下，传感器2100的像素阵列的外围区域中的像素2106中的像素电极2112相对于阵列中心的像素电极在适当的径向方向上被放大。这种放大还可用于抵消图像传感器2100的外围区域由于高的主光线角度而损失的灵敏度。它可独立地应用或与上述偏移结合应用。
图22是根据本发明的又一个实施方案的具有增强的高主光线角度接受性的图像传感器2200的一部分的示意性截面图。如在图20A/B的实施方案中的那样，图像传感器2200包括覆盖在限定图像传感器的相应像素2006的像素电路阵列上的感光介质2204。每个像素具有对应的滤光器元件2208和将入射光聚焦到像素上的微透镜2210。然而，在这种情况下，微透镜2210相对于规则网格在朝向像素阵列的中心的相应方向上在空间上偏移，而像素电极2212远离中心偏移。这种布置増强了像素电极捕获由以高角入射的光(诸如图2214中所示的光线22)所产生的光电荷的能力。
本发明人已发现，将微透镜在一个方向上偏移和像素电极在另一个方向上偏移组合的这种后一种布置，对于仅使用微透镜的偏移不能适应的在较大的主光线角下实现可接受的图像传感器灵敏度方面特别有效。如在上述美国临时专利申请62/411,522中所述的具体示例所演示的，微透镜偏移与电极偏移的组合可用于具有非常低的Z方向高度和大像素阵列尺寸的相机，以适应光线边缘处40°和甚至更高的范围内的主范围角度。
尽管上述实施方案主要涉及基于膜的图像传感器，但这些实施方案的原理可加以必要的变更类似地应用于使用其他种类的感光介质的其他类型的图像传感器中。此外，尽管上文单独地描述了图像传感器的各种特征，但这些特征中的一些或全部可在单个图像感测设备中一起实现。
因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (6)

1.一种成像装置，包括：
半导体基板；
像素电路阵列，所述像素电路阵列被以矩阵形式布置在所述半导体基板上并且限定所述装置的相应像素；
像素电极，所述像素电极分别耦合到所述像素电路；
感光膜，所述感光膜形成在所述像素电极上方；
公共电极，所述公共电极是至少部分透明的并且形成在所述感光膜上方；
不透明金属化层，所述不透明金属化层形成在所述像素中的一个或多个上的所述感光膜上方并且以欧姆接触方式耦合到所述公共电极；和
控制电路，所述控制电路被耦合以经由所述不透明金属化层向所述公共电极施加偏压并且由于响应于所述偏压的施加而由所述像素电极聚积的光电荷从所述像素电路接收信号，并且将所接收的信号转换为相应的像素输出值，同时使用从其上方形成有所述不透明金属化层的所述像素中的一个或多个接收的所述信号校正所述输出值的黑电平。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述感光膜包括量子膜。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述不透明金属化层被进一步图案化以充当连接到所述控制电路的一个或多个接触垫。
4.一种用于制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在半导体基板上以矩阵形式形成像素电路阵列，以便限定所述图像传感器的相应像素；
将相应像素电极耦合到所述像素电路；
在所述像素电极上方形成感光膜；
在所述感光膜上方形成至少部分透明的公共电极；
在所述像素中的一个或多个上的所述感光膜上方形成不透明金属化层，同时以欧姆接触方式将所述不透明金属化层耦合到所述公共电极；以及
耦合控制电路以经由所述不透明金属化层向所述公共电极施加偏压并且由于响应于所述偏压的施加而由所述像素电极聚积的光电荷从所述像素电路接收信号，并且将所接收的信号转换为相应的像素输出值，同时使用从其上方形成有所述不透明金属化层的所述像素中的一个或多个接收的所述信号校正所述输出值的黑电平。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述感光膜包括量子膜。
6.根据权利要求4所述的方法，并且包括图案化所述不透明金属化层以充当连接到所述控制电路的一个或多个接触垫。
CN201780064717.4A 2016-10-20 2017-10-19 带有金属覆盖的光学黑色像素的图像传感器 Active CN109844950B (zh)

Applications Claiming Priority (15)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662410797P 2016-10-20 2016-10-20
US201662410792P 2016-10-20 2016-10-20
US201662410793P 2016-10-20 2016-10-20
US62/410,797 2016-10-20
US62/410,792 2016-10-20
US62/410,793 2016-10-20
US201662411522P 2016-10-21 2016-10-21
US201662411517P 2016-10-21 2016-10-21
US201662411497P 2016-10-21 2016-10-21
US201662411519P 2016-10-21 2016-10-21
US62/411,519 2016-10-21
US62/411,517 2016-10-21
US62/411,497 2016-10-21
US62/411,522 2016-10-21
PCT/US2017/057280 WO2018075702A1 (en) 2016-10-20 2017-10-19 Image sensors with metal-covered optical black pixels

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109844950A true CN109844950A (zh) 2019-06-04
CN109844950B CN109844950B (zh) 2022-11-11

Family

ID=60202459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780064717.4A Active CN109844950B (zh) 2016-10-20 2017-10-19 带有金属覆盖的光学黑色像素的图像传感器

Country Status (3)

Country Link
US (2) US10735672B2 (zh)
CN (1) CN109844950B (zh)
WO (5) WO2018075584A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10998371B1 (en) * 2018-08-20 2021-05-04 Apple Inc. Film-based image sensor with suppressed light reflection and flare artifact
US11006064B2 (en) * 2019-09-16 2021-05-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. CMOS image sensor and method of operating pixel array by CMOS image sensor
US11496694B2 (en) * 2020-09-04 2022-11-08 Altek Semiconductor Corp. Dual sensor imaging system and imaging method thereof
WO2023090116A1 (ja) * 2021-11-18 2023-05-25 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100201856A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging apparatus, imaging system, and driving method of imaging apparatus
CN102164250A (zh) * 2010-02-18 2011-08-24 美商豪威科技股份有限公司 具有改良式黑电平校准的图像传感器
US20110267510A1 (en) * 2010-05-03 2011-11-03 Malone Michael R Devices and methods for high-resolution image and video capture
US20120286137A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Sony Corporation Solid-state imaging device and electronic apparatus
US20160284749A1 (en) * 2015-03-24 2016-09-29 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Imaging device and electronic device

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6326230B1 (en) * 1999-01-06 2001-12-04 California Institute Of Technology High speed CMOS imager with motion artifact supression and anti-blooming
US6278142B1 (en) * 1999-08-30 2001-08-21 Isetex, Inc Semiconductor image intensifier
US7561194B1 (en) * 2003-10-17 2009-07-14 Eastman Kodak Company Charge diffusion crosstalk reduction for image sensors
CN102017147B (zh) 2007-04-18 2014-01-29 因维萨热技术公司 用于光电装置的材料、系统和方法
JP5163935B2 (ja) * 2007-05-17 2013-03-13 ソニー株式会社 イメージセンサ
KR101786069B1 (ko) * 2009-02-17 2017-10-16 가부시키가이샤 니콘 이면 조사형 촬상 소자, 그 제조 방법 및 촬상 장치
JP5359465B2 (ja) 2009-03-31 2013-12-04 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の信号処理方法および撮像装置
JP2010252277A (ja) 2009-04-20 2010-11-04 Panasonic Corp 固体撮像装置及び電子カメラ
US8619163B2 (en) * 2009-09-18 2013-12-31 Canon Kabushiki Kaisha Solid state imaging using a correction parameter for correcting a cross talk between adjacent pixels
US20110157355A1 (en) * 2009-12-28 2011-06-30 Yuri Ivanov Method and System for Detecting Events in Environments
US8736733B2 (en) * 2010-03-19 2014-05-27 Invisage Technologies, Inc. Dark current reduction in image sensors via dynamic electrical biasing
JP2012043939A (ja) 2010-08-18 2012-03-01 Sony Corp 撮像素子および撮像装置
JP4997359B2 (ja) * 2010-10-04 2012-08-08 富士フイルム株式会社 撮像装置及び混色補正方法
US20120173175A1 (en) * 2010-12-30 2012-07-05 Deepak Devicharan Photodiode array with algorithm-based crosstalk reduction
KR20130104756A (ko) 2012-03-15 2013-09-25 삼성전자주식회사 영상 촬영 장치 및 이에 포함된 이미지 센서
WO2013183382A1 (ja) 2012-06-07 2013-12-12 富士フイルム株式会社 撮像素子及び撮像装置
GB2505954B (en) 2012-09-18 2017-05-24 Canon Kk Light field imaging device with a micro lens array integrating a sensor mounted with a colour-filter-array
WO2014097899A1 (ja) 2012-12-21 2014-06-26 富士フイルム株式会社 固体撮像装置
WO2014127376A2 (en) * 2013-02-15 2014-08-21 Sionyx, Inc. High dynamic range cmos image sensor having anti-blooming properties and associated methods
JP6186900B2 (ja) 2013-06-04 2017-08-30 ソニー株式会社 固体撮像装置、電子機器、レンズ制御方法、および撮像モジュール
WO2014208047A1 (ja) 2013-06-24 2014-12-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置およびその製造方法
US9100600B2 (en) * 2013-07-10 2015-08-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Anti-blooming shutter control in image sensors
JP6108172B2 (ja) 2013-09-02 2017-04-05 ソニー株式会社 固体撮像素子およびその製造方法、並びに電子機器
US9692968B2 (en) * 2014-07-31 2017-06-27 Invisage Technologies, Inc. Multi-mode power-efficient light and gesture sensing in image sensors
WO2016022552A1 (en) 2014-08-04 2016-02-11 Emanuele Mandelli Scaling down pixel sizes in image sensors
TWI788994B (zh) 2014-11-05 2023-01-01 日商索尼半導體解決方案公司 固體攝像元件及其製造方法以及電子機器
EP3245547A4 (en) 2015-01-14 2018-12-26 Invisage Technologies, Inc. Phase-detect autofocus
JP6808316B2 (ja) * 2015-12-04 2021-01-06 キヤノン株式会社 撮像装置、および、撮像システム
US10250826B2 (en) 2016-01-15 2019-04-02 Invisage Technologies, Inc. Image sensors having extended dynamic range
KR102556023B1 (ko) * 2016-02-26 2023-07-17 삼성디스플레이 주식회사 감광성 박막 소자 및 이를 포함하는 생체 정보 감지 장치
WO2017156477A1 (en) 2016-03-11 2017-09-14 Invisage Technologies, Inc. Image sensors with electronic shutter
WO2018075703A1 (en) 2016-10-20 2018-04-26 Invisage Technologies, Inc. Image sensors with enhanced wide-angle performance

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100201856A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging apparatus, imaging system, and driving method of imaging apparatus
CN102164250A (zh) * 2010-02-18 2011-08-24 美商豪威科技股份有限公司 具有改良式黑电平校准的图像传感器
US20110267510A1 (en) * 2010-05-03 2011-11-03 Malone Michael R Devices and methods for high-resolution image and video capture
US20120286137A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Sony Corporation Solid-state imaging device and electronic apparatus
US20160284749A1 (en) * 2015-03-24 2016-09-29 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Imaging device and electronic device

Also Published As

Publication number Publication date
US20190253647A1 (en) 2019-08-15
US10735672B2 (en) 2020-08-04
WO2018075704A1 (en) 2018-04-26
WO2018075581A1 (en) 2018-04-26
CN109844950B (zh) 2022-11-11
US10848690B2 (en) 2020-11-24
WO2018075584A1 (en) 2018-04-26
WO2018075583A1 (en) 2018-04-26
US20190253643A1 (en) 2019-08-15
WO2018075702A1 (en) 2018-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11251218B2 (en) Image sensors with enhanced wide-angle performance
US9888194B2 (en) Array camera architecture implementing quantum film image sensors
EP2980852B1 (en) Solid-state image sensing element and imaging system
JP4500574B2 (ja) 広ダイナミックレンジカラー固体撮像装置及びこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラ
US20150311242A1 (en) Image sensor with dual layer photodiode structure
US7456881B2 (en) Method and apparatus for producing Bayer color mosaic interpolation for imagers
US8237121B2 (en) Alternating row infrared filter for an image sensor
CN109844950A (zh) 带有金属覆盖的光学黑色像素的图像传感器
KR20180065169A (ko) 서로 다른 사이즈의 포토다이오드들을 갖는 이미지 센서
JP4469732B2 (ja) 固体撮像素子
EP0509820B1 (en) Image pickup apparatus
CN207251823U (zh) 成像设备和成像系统
CA3054777C (en) Autofocus system for cmos imaging sensors
US20220028910A1 (en) Image sensor having two-colored color filters sharing one photodiode
US11515437B2 (en) Light sensing system and light sensor with polarizer
US20220217294A1 (en) Imaging device
JPH04320372A (ja) 撮像装置
TW201417324A (zh) 固態攝影裝置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant