CN109863603B - 具有电子收集电极和空穴收集电极的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
成像装置(100，200，300)包括感光介质(302)，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对。像素电路(304)阵列形成于半导体衬底(305)上。每个像素电路限定相应的像素并包括在像素中的第一位置处与感光介质接触的电子收集电极(306,502)和在像素中的第二位置处与感光介质接触的空穴收集电极(308,504)。电路(800,1000)被耦接以向电子收集电极施加正电势以及从电子收集电极收集电子，并且向空穴收集电极施加负电势以及从空穴收集电极收集空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示入射光子的强度的信号。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月20日提交的美国临时专利申请62/410,795的权益，该申请以引用方式并入本文。
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增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，基于硅的开关阵列覆盖有感光膜，诸如包含分散的量子点的膜。此类膜被称为“量子膜”。可类似于本领域已知的互补金属氧化物夹层(CMOS)图像传感器中使用的那些的开关阵列通过合适的电极耦接至膜，以便读出由于入射光而积聚在膜的每个像素中的光电荷。
公开内容以引用方式并入本文的美国专利7,923,801描述了用于基于此类量子膜的光电设备的材料、系统和方法。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了用于操作具有增强性能的图像传感器的增强图像传感器设计和方法。
因此，根据本发明的实施方案提供了成像装置，该成像装置包括被配置为将入射光子转换为电子和空穴对的感光介质。像素电路阵列形成于半导体衬底上。每个像素电路限定相应的像素并包括在像素中的第一位置处与感光介质接触的电子收集电极和在像素中的第二位置处与感光介质接触的空穴收集电极。像素电路包括电路，该电路被耦接以向所述电子收集电极施加正电势以及从所述电子收集电极收集所述电子，并且向所述空穴收集电极施加负电势以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号。
在所公开的实施方案中，感光介质包括量子膜。
在一些实施方案中，装置包括公共电极，该公共电极为至少部分透明的，覆盖感光介质并在施加到电子收集电极的正极电势和施加到空穴收集电极的负电势之间的电压下偏压。
除此之外或作为另外一种选择，电子收集电极和空穴收集电极延伸穿过感光介质。
在一些实施方案中，每个像素电路中的电路包括被耦接以从电子收集电极收集电子的第一电荷存储器和被耦接以从空穴收集电极收集空穴的第二电荷存储器，并被配置为输出信号作为第一电荷存储器和第二电荷存储器之间的差分输出。
作为另外一种选择，电路被配置为收集具有第一转换增益的空穴，以及收集具有不同于第一转换增益的第二转换增益的电子，并且输出具有动态范围的信号，该动态范围响应于第一转换增益和第二转换增益之间的关系而增强。在所公开的实施方案中，装置包括列电路，该列电路被配置为生成与所收集的电子对应的第一数字信号和与所收集的空穴对应的第二数字信号，并且选择第一数字信号和第二数字信号中的一者以产生具有增强的动态范围的数字输出信号。
根据本发明的实施方案，还提供了一种用于成像的方法，该方法包括将形成于半导体衬底上的像素电路阵列耦接至感光介质，该感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对。每个像素电路限定相应的像素并包括在像素中的第一位置处与感光介质接触的电子收集电极和在像素中的第二位置处与感光介质接触的空穴收集电极。在每个像素中向电子收集电极施加正电势，并向空穴收集电极施加负电势。在每个像素中从电子收集电极收集电子以及从空穴收集电极收集空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示入射光子的强度的信号。
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是根据本发明的实施方案操作的相机模块的示意性侧视图；
图2是根据本发明的实施方案的示例性图像传感器的示意性顶视图；
图3是根据本发明的实施方案的图像传感器中的像素的示意性剖视图；
图4是根据本发明的实施方案的曲线图，其示意性地示出了沿图3中的两条竖直剖面线的量子膜中的电势分布；
图5是根据本发明的另一实施方案的图像传感器中的像素的示意性剖视图；
图6和图7是根据本发明的实施方案的图像传感阵列的示意性顶视图；
图8是根据本发明的实施方案的电路图，其示意性地示出像素电路的元件；
图9是根据本发明的实施方案的信号时序图，其示意性地示出图8的像素电路中的信号；
图10是根据本发明的实施方案的电路图，其示意性地示出像素读出电路的元件；并且
图11是根据本发明的实施方案的信号时序图，其示意性地示出用于在图10的电路中读出积聚电荷的信号。
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，诸如相机、光谱仪、光传感器等。图1示出了可利用图像传感器102的相机模块100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。虽然在图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可任选地被配置为移动透镜系统104和/或图像传感器102以执行自动对焦和/或光学图像稳定。
相机模块还可包括一个或多个任选的滤光器，诸如滤光器106，其可沿着光学路径放置。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有效性基本上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中示出为定位在图像传感器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(相对于传入光)或可定位在透镜系统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可包括遮蔽区域210，该区域包括相对于入射光被遮蔽(例如被光阻层覆盖)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读出电信号，但由于理想情况下没有光到达这些像素，因此从这些像素测量的电流可表示与图像传感器的一个或多个部件相关联的暗电流。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，其可共同用于向各个像素传送各种信号(例如，偏压电压、复位信号)以及读出来自各个像素的信号。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至其他电路以用于处理。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，以及对图像传感器200执行输入/输出操作(例如，并行或串行IO操作)。控制电路可包括模拟电路的组合(例如，用于提供偏压水平和参考水平的电路)和数字电路(例如，图像增强电路、用于暂时存储多行像素值的行缓冲器、控制全局设备操作和/或框架格式的寄存器组)。
图3是根据本发明的实施方案的图像传感器诸如图像传感器200中的像素300的示意性剖视图。像素300示出单个示例，其通常在图像传感器中的整个像素阵列上复制。
像素300包括感光介质，诸如量子膜302，其将入射光子转化为电子(e)和空穴(h)对。形成于半导体衬底305诸如硅片上的像素电路304阵列限定膜302中的像素阵列。像素电路304包括在像素300中的不同的相应位置处与膜302接触的电子收集电极306和空穴收集电极308。电极306和308可被绝缘层309诸如SiO2层围绕。该像素配置不同于本领域已知的仅收集电子或空穴的图像传感器，而另一类型的电荷载流子(空穴或电子，视具体情况而定)被排入到电源中。本发明的实施方案提供的两种类型的电荷载流子的单独收集使得像素300能够感测具有增强信噪比和动态范围的入射光强度。
像素电路304还包括电路，该电路被耦接以通过感测节点(SN1)310向电子收集电极306施加正电势并从电子收集电极306收集电子，并经由感测节点(SN2)312向空穴收集电极308施加负电势并从空穴收集电极308收集空穴。如以下附图中更详细地所示，感测节点和相关电路通常例如通过CMOS工艺在基板305上形成。在本实施方案中，至少部分透明的附加公共电极314覆盖膜302，并且在施加到电子收集电极306的正电势与施加到空穴收集电极308的负电势之间的电压下偏压。感测节点310和312分别用作所收集的电子和空穴的电荷存储器。基于在感测节点310和312处收集的电子和空穴，像素电路304输出指示像素300中的膜302上的入射光子的强度的信号。
涉及施加到电极306和308的电势的术语“正”和“负”是以相对意义使用的，即，“正”仅指高于某个基线，而“负”是指低于该基线。基线电压可为例如施加到公共电极314的偏压，如图4所示的示例中所示。
图4是根据本发明的实施方案的曲线图，其示意性地示出了沿图3中的两条竖直剖面线的量子膜302中的电势分布。曲线402示出了在电子收集电极306上方沿线A-A的电势分布；而曲线404示出了在空穴收集电极308上方沿线B-B的电势分布。在本示例中，1伏的偏压施加到空穴收集电极308；2伏的偏压施加到公共电极314；并且4伏的偏压施加到电子收集电极306。
图5是根据本发明的另一实施方案的图像传感器中的像素500的示意性剖视图。像素500在结构和操作上类似于像素300，如上所述，并且像素500元素被标有与对应的像素300元素相同的附图标号。然而，像素500不同于前述实施方案，因为电子收集电极502和空穴收集电极504向上延伸穿过量子膜302。电极502和504可例如通过在图3所示种类的电极之上积聚铜或铝分隔体而形成。这些分隔体可用于避免像素之间的“死区”和串扰，否则其可能发生在量子膜302的顶部，其中电势下降(如可在图4的右侧看到)。
图6和图7是根据本发明的实施方案的由像素300和500组成的图像传感阵列600和700的示意性顶视图。每个绘图包括四个相邻像素。接触膜302的底侧的电极306和308在图6中以虚线示出。图7示出了延伸穿过至膜302的顶部的电极502和504。
图8是根据本发明的实施方案的电路图，其示意性地示出像素电路800的元件。电路800可在像素300中用作像素电路304的一部分，或在像素500中使用，并且基于由感测节点310和312存储的电荷分别由于采集的电子和空穴而输出差分信号输出。更具体地，像素电路800包括电子读出电路802和空穴读出电路804，其横跨差分读取总线807耦接。
电路802和804包括相应的复位晶体管803和805和源极跟随器晶体管806和808。用于电子读出电路802的复位电压VRST1较低，而用于空穴读出电路804的复位电压VRST2较高。像素读出在相应的选择晶体管810和812接通时开始，从而将源极跟随器晶体管806和808连接到读取总线807。所得的差分输出的信号电平是单端读出的信号电平的两倍，以及具有行噪声的固有消除。
图9是根据本发明的实施方案的信号时序图，其示意性地示出像素电路800中的信号。像素读出在到达晶体管810和812的选择信号900变高时开始，从而接通晶体管。读取总线807现在从感测节点310和312接收信号904和906，从而在总线上得出差分读出，该差分读出等于信号904和906的各个振幅的和。将复位脉冲902施加到晶体管803和805，从而导致信号904的电平下降并且信号906的电平增大。总线807在复位脉冲之后输出差分信号电平。行噪声作为共模信号出现，并因此被差分读出拒绝。在复位脉冲之后，信号904和906的电平可随着电子和空穴进一步积聚而再次增大，如通过图右侧的虚线所示。
图10是根据本发明的实施方案的电路图，其示意性地示出像素读出电路1000的元件。电路1000包括像素电路1002，该像素电路可在像素300中用作像素电路304的一部分或可在像素500中使用，以输出具有扩展动态范围的信号。信号由列电路1004读出并数字化，在此实施方式中该列电路包括双斜率模数转换器(ADC)。
在该实施方案中，感测节点310(SN1)和312(SN2)被假定具有不同的转换增益。例如，作为电子收集节点的SN1可具有高转换增益，而作为空穴收集节点的SN2具有较低的转换增益。作为另外一种选择，可用比电子收集节点更高的转换增益来配置空穴收集节点。转换增益取决于感测节点的等效电容，并且可通过增大或减小相应电容来调节。
电路1000输出指示入射到像素上的光的强度的信号，其中动态范围由基于第一转换增益和第二转换增益之间的关系(比率或差值)的因子来增强。
具体地，在图10所示的构型中，列电路1004生成与由感测节点310收集的电子对应的第一数字输入信号和与由感测节点312收集的空穴对应的第二数字输入信号。当入射光强度低时使用高增益信号并且当入射光强度高时使用低增益信号来选择性地输出数字输入信号，从而使得高增益信号饱和。因此，列电路1004产生具有增强动态范围的数字输出信号。该过程的细节如下所述。
像素电路1002包括传输门(T1,T2)1003和1006，其分别耦接在感测节点310和312与FD节点1008之间。复位晶体管(T3)1010将节点1008复位到复位电压VRST。源极跟随器晶体管(T4)1012和行选择晶体管(T5)1014将FD节点1008耦接到列输入1016。
列电路1004包括源极跟踪器电流源(IVLN)1018和比较器1020。列输入1016经由电容器C1耦接到比较器1020的正输入，而斜坡输入经由电容器C2耦接到比较器的负输入。比较器1020的输入由相关的双采样(CDS)开关1022(SW1)和自动零(AZ)开关1024(SW2)控制。比较器的输出驱动锁存器1026，该锁存器捕获数字值，该数字值对应于比较器的负输入上的斜坡电压等于列输入1016处的电压的时间。这些元件的操作在下文中进一步描述。
图11是根据本发明的实施方案的信号时序图，其示意性地示出用于经由列电路1004从像素电路1002读出积聚电荷的信号。从在行选择晶体管1014上将选择(SEL)信号1100断言为高电平开始读出，从而将源极跟随器晶体管1012连接到列输入1016。复位电压(VRST)1102初始被保持在高电平VRST1处。将复位信号1104施加到复位晶体管1010使FD节点1008复位至高电压电平VRST1，如FD信号1114所示。FD信号1114的该参考电平被标记为“SHR1”。传输信号1106(TX1)和1108(TX2)保持较低，使得传输门1003和1006关闭。
在复位信号1104之后，将CDS信号1110和AZ信号1112分别施加到开关1022和1024。因此，电容器C1的左板被充电至高复位电平VRST1，而电容器C1的右板被充电至VCDS，如电容器C2的顶板一样。然后在信号传输之前打开开关1022和1024，使得比较器1020的输入浮动。
传输信号1106(TX1)现在被断言为高，并且电子信号电荷经由传输门1003从感测节点310传输到FD节点1008中。VRST1被设定为远高于传输门1003下方的电势的水平，使得感测节点310和FD节点1008之间不存在电荷共享。FD信号1114因此下降至图11中标记为“SHS1”的电子信号电平。比较器1020的正输入感测先前复位和当前信号电平之间的差值，并且将该差值转换为施加到电容器C2的斜坡信号的向下斜坡上的数字值。
为了复位感测节点310，到复位晶体管1010的复位信号1104再次被设定为高，而传输门1003保持打开。该复位将解决FD节点1008处的任何溢出。如上所述，第一读出阶段的电子噪声由kTC确定并由以下给出：
其中k为波耳兹曼常数，并且T为温度。感测节点310处的kTC噪声可通过感测节点的软复位而减小，而FD节点1008处的kTC噪声被相关双采样消除。
在下一阶段中，感测节点312(SN2)处的空穴信号电荷以类似的方式读出。作为第一步，FD节点1008被复位为低电压电平VRST2，从而得出FD信号1114的低参考值“SHR2”。如在第一阶段中那样断言CDS信号1110和AZ信号1112。因此，电容器C1的左板被充电至低复位电平，之后FD信号在电荷传输通过传输门1006之后上升，从而得出空穴信号电平“SHS2”。在该阶段中，在向上斜坡上进行ADC转换。如果电子信号电平饱和，则后续处理可使用所得的空穴信号电平。
动态范围扩展由电子和空穴转换增益的比率来确定。高转换增益(在电子收集的情况下)由以下得出：
CGH＝q/CFD, (2)
其中q为元电荷。行转换增益由以下公式给出：
CGL＝q/(CSN2+CFD) (3)
然后由以下给出像素动态范围：
DR＝20*log(Nmax/Nsn) (4)
其中Nmax为最大电子电荷容量，并且Nsn为噪声电子电荷。假设在像素输出处dV＝1伏摆动，则Nmax由以下得出：
Nmax＝dV/CGH＝1/CGH (5)
对于CFD＝0.5fF，Nsn可为九个电子。
CSN2由电容器的像素尺寸和介电常数确定。当使用高K电介质时，金属绝缘体金属(MIM)电容器可具有至多18fF/μm2的电容。在这种极端情况下，具有2μm间距的像素可具有约18fF的CSN2，其相当于125K电子(假设像素输出处的1V摆动)和83dB动态范围的容量。
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类似地在其他类型的图像传感器中通过使用其他类型的感光介质以必要的变更应用。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 (12)
1.一种成像装置，所述成像装置包括：
感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对；
像素电路阵列，所述像素电路阵列形成于半导体衬底上，每个像素电路限定相应的像素并包括：
电子收集电极，所述电子收集电极在所述像素中的第一位置处与所述感光介质接触；
空穴收集电极，所述空穴收集电极在所述像素中的第二位置处与所述感光介质接触；和
电路，所述电路被耦接以向所述电子收集电极施加正电势以及从所述电子收集电极收集所述电子，并且向所述空穴收集电极施加负电势以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号；以及
公共电极，所述公共电极为至少部分透明的，覆盖所述感光介质并且以在施加到所述电子收集电极的所述正电势和施加到所述空穴收集电极的所述负电势之间的电压来被偏压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述感光介质包括量子膜。
3.一种成像装置，所述成像装置包括：
感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对；
像素电路阵列，所述像素电路阵列形成于半导体衬底上，每个像素电路限定相应的像素并包括：
电子收集电极，所述电子收集电极在所述像素中的第一位置处与所述感光介质接触；
空穴收集电极，所述空穴收集电极在所述像素中的第二位置处与所述感光介质接触；和
电路，所述电路被耦接以向所述电子收集电极施加正电势以及从所述电子收集电极收集所述电子，并且向所述空穴收集电极施加负电势以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号，
其中所述电子收集电极和所述空穴收集电极延伸穿过所述感光介质。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中每个像素电路中的所述电路包括被耦接以从所述电子收集电极收集所述电子的第一电荷存储器和被耦接以从所述空穴收集电极收集所述空穴的第二电荷存储器，并被配置为输出所述信号作为所述第一电荷存储器和第二电荷存储器之间的差分输出。
5.一种成像装置，所述成像装置包括：
感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对；
像素电路阵列，所述像素电路阵列形成于半导体衬底上，每个像素电路限定相应的像素并包括：
电子收集电极，所述电子收集电极在所述像素中的第一位置处与所述感光介质接触；
空穴收集电极，所述空穴收集电极在所述像素中的第二位置处与所述感光介质接触；和
电路，所述电路被耦接以向所述电子收集电极施加正电势以及从所述电子收集电极收集所述电子，并且向所述空穴收集电极施加负电势以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号，
其中所述电路被配置为以第一转换增益收集所述空穴，以及以不同于所述第一转换增益的第二转换增益收集所述电子，并且输出具有动态范围的所述信号，所述动态范围响应于所述第一转换增益和第二转换增益之间的关系而增强。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括列电路，所述列电路被配置为生成与所收集的电子对应的第一数字信号和与所收集的空穴对应的第二数字信号，并且选择所述第一数字信号和所述第二数字信号中的一者以产生具有增强的动态范围的数字输出信号。
7.一种用于成像的方法，包括：
将形成于半导体衬底上的像素电路阵列耦接至感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对，每个像素电路限定相应的像素并包括在所述像素中的第一位置处与所述感光介质接触的电子收集电极和在所述像素中的第二位置处与所述感光介质接触的空穴收集电极；
在每个像素中向所述电子收集电极施加正电势并且向所述空穴收集电极施加负电势；
在每个像素中从所述电子收集电极收集所述电子以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号；以及
将至少部分透明的公共电极覆盖在所述感光介质上，并且使所述公共电极以在施加到所述电子收集电极的所述正电势和施加到所述空穴收集电极的所述负电势之间的电压来偏压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述感光介质包括量子膜。
9.一种用于成像的方法，包括：
将形成于半导体衬底上的像素电路阵列耦接至感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对，每个像素电路限定相应的像素并包括在所述像素中的第一位置处与所述感光介质接触的电子收集电极和在所述像素中的第二位置处与所述感光介质接触的空穴收集电极；
在每个像素中向所述电子收集电极施加正电势并且向所述空穴收集电极施加负电势；以及
在每个像素中从所述电子收集电极收集所述电子以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号；以及
其中所述电子收集电极和所述空穴收集电极延伸穿过所述感光介质。
10.根据权利要求9所述的方法，其中输出所述信号包括响应于所收集的电子和所收集的空穴而生成差分输出。
11.一种用于成像的方法，包括：
将形成于半导体衬底上的像素电路阵列耦接至感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电子和空穴对，每个像素电路限定相应的像素并包括在所述像素中的第一位置处与所述感光介质接触的电子收集电极和在所述像素中的第二位置处与所述感光介质接触的空穴收集电极；
在每个像素中向所述电子收集电极施加正电势并且向所述空穴收集电极施加负电势；以及
在每个像素中从所述电子收集电极收集所述电子以及从所述空穴收集电极收集所述空穴，并且响应于所收集的电子和空穴而输出指示所述入射光子的强度的信号，
其中收集所述电子和所述空穴包括以第一转换增益收集所述空穴以及以不同于所述第一转换增益的第二转换增益收集所述电子，并且其中输出所述信号包括生成具有动态范围的所述信号，所述动态范围响应于所述第一转换增益和第二转换增益之间的关系而增强。
12.根据权利要求11所述的方法，其中生成所述信号包括生成与所收集的电子对应的第一数字信号以及生成与所收集的空穴对应的第二数字信号，并且选择所述第一数字信号和所述第二数字信号中的一者以产生具有增强的动态范围的数字输出信号。
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