CN110223993A - 具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列。一种像素单元包含第二光电二极管，所述第二光电二极管在半导体材料中横向环绕第一光电二极管。所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷。浮动扩散部安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界。第一转移栅极接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方。所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管。第二转移栅极接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方。所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。

Description

具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列
技术领域
本发明一般来说涉及图像传感器，且更具体来说，本发明针对于高动态范围图像传感器。
背景技术
标准图像传感器具有大约60dB到70dB的有限动态范围。然而，真实世界的明度动态范围大得多。举例来说，自然场景通常横跨90dB及90dB以上的范围。为同时俘获明亮高光及暗淡阴影中的细节，图像传感器中已使用高动态范围(HDR)技术来增大所俘获动态范围。增大动态范围的最常见技术是将使用标准(低动态范围)图像传感器以不同曝光设定捕获的多个曝光合并成单一线性HDR图像，此产生比单一曝光图像大得多的动态范围图像。
另一HDR技术将不同曝光积分时间或不同光敏性(举例来说，通过插入中性密度滤光器)并入到单个图像传感器中。单个图像传感器在单个图像传感器中实际上可具有2个、3个、4个或甚至更多个不同曝光。因此，多个曝光图像可使用此HDR图像传感器在单次拍摄中获得。然而，与正常全分辨率图像传感器相比，使用此HDR传感器会降低总体图像分辨率。举例来说，对于将4个不同曝光组合于一个图像传感器中的HDR传感器，每一HDR图像将是全分辨率图像的仅四分之一分辨率。
实施HDR图像传感器的其它方法呈现许多其它挑战。这些其它方法并非空间高效的，且难以小型化到较小间距以实现更高分辨率。另外，由于这些HDR图像传感器中的许多传感器的不对称布局，因此减小像素的大小及间距来实现高分辨率图像传感器会产生串扰及其它不希望副作用，例如在间距被减小时可发生于这些图像传感器中的对角线耀斑。此外，许多HDR图像传感器需要具有极大全阱容量(FWC)的结构来适应大动态范围。然而，大FWC要求导致滞后、白色像素(WP)、暗电流(DC)及其它不希望问题。因此，这些其它HDR成像方法因难以缩放的高FWC要求也不适合用于高分辨率。
发明内容
根据一个实施例，本发明提供一种像素单元，所述像素单元包括：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，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。
根据另一实施例，本发明提供一种高动态范围(HDR)成像系统，所述HDR成像系统包括：像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含：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，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从多个像素读出图像数据。
附图说明
参考下图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则贯穿各个视图，相似元件符号是指相似部件。
图1是根据本发明的教示的图解说明实例性高动态范围(HDR)成像系统的框图，所述HDR成像系统使用具有嵌入式分裂二极管像素单元的像素阵列来检测高强度照明。
图2是根据本发明的教示的具有嵌入式分裂二极管的实例性像素单元的说明性示意图。
图3是根据本发明的教示的实例性嵌入式分裂二极管像素单元的布局视图。
图4是根据本发明的教示的实例性嵌入式分裂二极管像素单元的横截面图。
图5A-5C展示根据本发明的教示的用以制造嵌入式分裂二极管像素单元中所包含的实例性微透镜的实例性工艺的横截面图。
图6是根据本发明的教示的图解说明实例性嵌入式分裂二极管像素单元中的信号的时序图。
贯穿图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改善对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被放大。此外，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻碍的观看。
具体实施方式
揭示针对于具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂二极管像素单元的像素阵列的方法及设备。在以下说明中，陈述众多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述具体细节中的一或多者的情况下实践，或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在本说明书通篇的各个地方中出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必全部是指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
贯穿本说明书，使用数个术语。这些术语将呈现其在其所属领域中的普通含义，除非本文中另外具体定义或其使用的上下文将另外清晰地表明。应注意，在本文档中，元件名称及符号可互换地使用(例如，Si与硅)；然而，其两者具有相同含义。
如将展示，揭示包含可用于高动态范围成像的嵌入式分裂二极管的像素单元的实例。在各种实例中，嵌入式分裂二极管结构包含以与其它已知分裂二极管设计相比具有增大的对称性的布局嵌入大光电二极管中的小光电二极管，这会减少可因相邻像素单元之间的串扰而发生的对角线耀斑问题。在将小光电二极管嵌入大光电二极管中的情况下，空间得到更高效使用，从而允许更小间距及更高分辨率的高动态范围(HDR)像素阵列。如将展示，根据本发明的教示，小光电二极管可用于感测明亮或高强度光条件，而大光电二极管可用于感测较暗淡的低到中等强度光条件，以实现HDR成像。
为进行图解说明，图1图解说明根据本发明的教示的图解说明实例性HDR系统100的框图，实例性HDR系统100使用具有嵌入式分裂二极管像素单元的像素阵列来检测低/中等及高强度照明。成像系统100可实施为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器。如图1中所图解说明的实例中所展示，成像系统100包含耦合到控制电路108及读取电路104(其耦合到功能逻辑106)的像素阵列102。
像素阵列102的所图解说明实施例是成像传感器或像素单元110(例如，像素单元P1、P2、...、Pn)的二维(“2D”)阵列。在一个实例中，根据本发明的教示，每一像素单元包含可用于HDR成像的嵌入式分裂二极管。如所图解说明，每一像素单元110布置到行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地方或物件等的图像数据，接着可使用所述图像数据来再现人、地方或物件等的图像。如下文将更详细描述，根据本发明的教示，每一像素单元110(例如，像素单元P1、P2、…、Pn)可包含基本上对称分裂二极管设计，其中小光电二极管嵌入大光电二极管中以提供HDR成像。
在一个实例中，在每一像素单元110已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路104通过读出列位线112读出且接着被传送到功能逻辑106。在各种实施例中，读出电路104可包含放大电路(未图解说明)、包含模/数转换(ADC)电路的列读出电路或其它电路。功能逻辑106可仅存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，裁剪、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可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)，或可使用多种其它技术来读出图像数据(未图解说明)，例如串行读出或同时对所有像素的全并行读出。
在一个实例中，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。举例来说，在一个实例中，控制电路108产生转移栅极信号及其它控制信号以控制图像数据从像素阵列102的每一嵌入式分裂二极管像素单元110的大光电二极管及小光电二极管的传送及读出。另外，控制电路108可产生快门信号来控制图像获取。在一个实例中，所述快门信号是用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单一获取窗期间同时俘获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗期间依序启用每一像素行、每一像素列或每一像素群组。快门信号还可确立曝光时间，所述曝光时间是快门保持打开的时间长度。在一个实施例中，针对帧中的每一者，曝光时间设定为相同的。
图2是根据本发明的教示的具有嵌入式分裂二极管设计的实例性像素单元210的说明性示意图。应了解，图2的像素单元210可为图1的像素单元110的实例，且下文所提及的类似地命名及编号的元件可类似于如上文所描述而耦合及起作用。像素单元210的所图解说明实例包含第一光电二极管214及第二光电二极管216。在一个实例中，第一光电二极管214及第二光电二极管216是分裂二极管，且第一光电二极管214是嵌入第二光电二极管216中的小光电二极管(SPD)，第二光电二极管216是大光电二极管(LPD)。在操作中，第一光电二极管SPD 214与第二光电二极管LPD 216经耦合以响应于入射光而光生图像电荷。较小的第一光电二极管SPD 214可用于感测明亮或高强度光条件，而较大的第二光电二极管LPD216可用于感测较暗淡的低到中等强度光条件，以提供高动态范围(HDR)图像的图像数据。
像素单元210还包含耦合在第一光电二极管SPD 214与第二光电二极管LPD 216之间的第一转移栅极218及耦合在第二光电二极管LPD 216与浮动扩散部FD 222之间的第二转移栅极220。第一转移栅极218经耦合以响应于第一转移栅极信号TX1而将图像电荷从第一光电二极管SPD 214转移到第二光电二极管LPD 216。第二转移栅极220经耦合以响应于第二转移栅极信号TX2而将图像电荷从第一光电二极管SPD 214转移到第二光电二极管LPD216。复位晶体管228耦合到浮动扩散部FD 222以响应于复位信号RST而将像素单元210复位(例如，将第一光电二极管SPD 214及第二光电二极管LPD216以及浮动扩散部FD 222放电或充电到预设电压)。放大器晶体管224的栅极端子耦合到浮动扩散部以响应于浮动扩散部FD222中的图像电荷而产生图像数据信号。在所图解说明实例中，放大器晶体管224经耦合为耦合源极随耦器(SF)的晶体管。行选择晶体管226耦合到放大器晶体管SF 224以响应于行选择信号RS而将图像数据信号输出到输出位线212，所述输出位线耦合到读出电路，例如图1的读出电路104。
在另一实施例中，双浮动扩散晶体管230可任选地耦合在浮动扩散部FD 222与复位晶体管228之间，且还可任选地包含电容器C 232并将电容器C 232耦合到双浮动扩散晶体管230。在操作中，双浮动扩散晶体管230适于响应于双浮动扩散信号DFD而将电容器C232耦合到浮动扩散部FD 222以为像素单元210提供额外动态范围能力(如果需要)。然而，在另一实施例中，应了解，如果第一光电二极管SPD 214的全阱容量(FWC)通过相应地调整光电二极管掺杂剂分布而充分大，那么可免除双浮动扩散晶体管230及电容器C 232。
图3是根据本发明的教示的实例性嵌入式分裂二极管像素单元310的一部分的布局视图或俯视图。应了解，图3的像素单元310可为图2的像素单元210的实例或图1的像素单元110的实例，且下文所提及的类似地命名及编号的元件可类似于如上文所描述而耦合及起作用。如图3中所描绘的实例中所展示，像素单元310包含安置在半导体材料338中的第一光电二极管SPD 314及第二光电二极管LPD 316。在操作中，第一光电二极管SPD 314是小光电二极管，且第二光电二极管LPD 316是大光电二极管，且两者适于响应于入射光而光生图像。在一个实例中，第一光电二极管SPD 314及第二光电二极管LPD 316是n型钉扎光电二极管(NPPD)。如所图解说明实例中所展示，第二光电二极管LPD 316包含第一子区域NPPD316A及第二子区域虚拟相位(VP)NPPD 316B，两者具有不同掺杂分布且下文将更详细描述。在操作中，第一光电二极管SPD 314是小光电二极管，且第二光电二极管LPD 316是大光电二极管，且两者适于响应于入射光而光生图像电荷(例如，展示为电荷e-336A、336B及336C)。
如所描绘实例中所图解说明，第一光电二极管SPD 314嵌入或形成于第二光电二极管LPD 316内。第一光电二极管SPD 314及第二光电二极管LPD 316基本上围绕第一光电二极管SPD 314的中心对称，使得第二光电二极管LPD 316是外光电二极管且第一光电二极管SPD 314是居中位于外光电二极管内的内光电二极管。因此，第二光电二极管LPD 316在半导体材料338中横向环绕第一光电二极管SPD 314，使得第二光电二极管LPD 316在半导体材料338中具有接近第一光电二极管SPD 314的外周界的内周界。如所展示，像素单元310的嵌入式设计实现了与其它不对称分裂二极管布局相比空间更高效的对称紧凑布局。实际上，在一个实例中，像素单元310的间距为大约0.9μm，且嵌入式第一光电二极管SPD 314的间距小于大约0.3μm。
浮动扩散部FD 322安置在半导体材料338中，接近第二光电二极管316的外周界。第一转移栅极TX1 318接近半导体材料338而安置在介于第一光电二极管SPD 314与第二光电二极管LPD 316之间的第一沟道区域(未展示)上方。在操作中，第一转移栅极TX1318经耦合以响应于第一转移栅极信号而将图像电荷(例如，电荷336A)从第一光电二极管SPD 314转移到第二光电二极管LPD 316。第二转移栅极TX2 320接近半导体材料338而安置在介于第二光电二极管LPD 316与浮动扩散部FD 322之间的第二沟道区域(未展示)上方。第二转移栅极TX2 320经耦合以响应于第二转移栅极信号而将图像电荷(例如，电荷336C)从第二光电二极管LPD 316转移到浮动扩散部FD 322。
如图3中所描绘的实例中所图解说明，像素单元310还包含浅沟槽隔离(STI)区域334，所述STI区域安置在半导体材料338中介于第一光电二极管SPD 314与第二光电二极管LPD 316之间，以将第一光电二极管SPD 314与第二光电二极管LPD 316彼此隔离。当然应了解，在转移栅极TX1 318及TX2 320下方不存在STI区域334以便允许图像电荷336A从第一光电二极管SPD 314转移到第二光电二极管LPD 316以及图像电荷336C从第二光电二极管LPD316转移到浮动扩散部FD 322。如下文进一步论述，第一光电二极管SPD 314与第二光电二极管LPD 316可进一步用安置在半导体材料338中环绕第一光电二极管SPD 314及第二光电二极管LPD 316的p阱(图3中不可见)来隔离。
图3还图解说明：在一个实例中，第二光电二极管LPD 316在第二光电二极管LPD316的与第一转移栅极TX1 318及第二转移栅极TX2 320横向相对的侧上的区域中包含间隙334，使得第二光电二极管LPD 316中的掺杂剂浓度远离第一转移栅极TX1 318及第二转移栅极TX2 320朝向间隙334而减小。明确地说，在制造处理期间，第二光电二极管LPD316中的掺杂剂在热处理步骤期间将从邻近经植入区域朝向间隙334而扩散以覆盖所述间隙。因此，掺杂剂浓度在第二光电二极管LPD 316的接近距第一转移栅极TX1 318及第二转移栅极TX2 320最远的间隙334的区域中可进一步减小。
如所描绘实例中所展示，间隙334从第二光电二极管LPD 316的输出周界朝向第二光电二极管LPD 316的内周界横向延伸。换句话说，如图3中的实例中所展示，间隙334在第二光电二极管LPD 316的与第一转移栅极TX1 318及第二转移栅极TX2 320相对的外周界上形成部分凹口。应了解，在另一实例中，间隙334可从第二光电二极管LPD 316的外周界完全地延伸到第二光电二极管LPD 316的内周界，这在图3中通过间隙334的虚线区域被完全地移除而指示。
如先前所提及，第一光电二极管SPD 314及第二光电二极管LPD 316是n型钉扎光电二极管(NPPD)。第一光电二极管SPD 314及第二光电二极管LPD 316以接近半导体材料338的前侧表面的较浅NPPD植入区域以及在图3中可见的较浅NPPD植入区域下面的位于半导体材料338中的深NPPD(DNPPD)植入区域(图3中不可见)实施。另外，第二光电二极管LPD316的较浅NPPD植入区域以第一子区域NPPD 316A及第二子区域VP NPPD 316B实施。如所描绘实例中所展示，间隙334安置在第一子区域NPPD 316A中，且第一转移栅极TX1 318及第二转移栅极TX2 320接近第二子区域VP NPPD 316B而安置。
在一个实例中，第二子区域VP NPPD 316B具有比第一子区域NPPD 316A高的掺杂剂浓度。第一子区域NPPD 316A与第二子区域VP NPPD 316B之间的不同掺杂剂浓度促成第二光电二极管LPD 316中的电场梯度，所述电场梯度朝向第一转移栅极TX1318及第二转移栅极TX2 320而驱动电荷载子(例如，电荷336B)，从而减小像素单元310的滞后问题。实际上，如图3中所图解说明，由于第一子区域NPPD 316A与第二子区域VP NPPD 316B之间所产生的电场梯度，因此电子(e-)电荷载子336B在第二光电二极管LPD 316中被从第一子区域NPPD 316A朝向第二子区域VP NPPD 316B、朝向第一转移栅极TX1 318及第二转移栅极TX2320驱动。在第一光电二极管SPD 314中，NPPD植入浓度是均匀的，但可不同于第二光电二极管LPD 316的NPPD及VP NPPD植入浓度分布。
图4是根据本发明的教示的沿着图3中所图解说明的实例性嵌入式分裂二极管像素单元310的虚线A-A’的实例性像素单元410的一部分的切口的横截面图或侧视图。因此，应了解，图4的像素单元410可为图3的像素单元310的实例、或图2的像素单元210的实例、或图1的像素单元110的实例，且下文所提及的类似地命名及编号的元件可类似于如上文所描述而耦合及起作用。如图4中所描绘的实例中所展示，像素单元410包含安置在半导体材料438中的第一光电二极管SPD 414及第二光电二极管LPD 416。如所图解说明实例中所展示，入射光452穿过半导体材料438的背侧454被引导到第一光电二极管SPD 414，且入射光450穿过半导体材料438的背侧454被引导到第二光电二极管。在操作中，第一光电二极管SPD414是小光电二极管，且第二光电二极管LPD 416是大光电二极管，且两者适于响应于入射光而光生图像。
在图4中所描绘的实例中，第一光电二极管SPD 414是n型钉扎光电二极管(NPPD)，所述NPPD包含位于半导体材料438中的接近半导体材料438的前侧456的浅区域NPPD414A。第一光电二极管SPD 414还包含位于半导体材料438中的在浅区域NPPD 414A下面且介于第一光电二极管SPD 414的浅区域NPPD 414A与半导体材料438的背侧454之间的深NPPD区域(DNPPD)414B。
在实例中，第二光电二极管LPD 416是外光电二极管，且第一光电二极管SPD 414是内光电二极管，使得第二光电二极管LPD 416在半导体材料438中横向环绕第一光电二极管SPD 414，且使得第二光电二极管LPD 416在半导体材料438中具有接近第一光电二极管SPD 414的外周界的内周界。
浮动扩散部FD 456安置在半导体材料438中，接近第二光电二极管LPD 416的外周界。第一转移栅极TX1 418接近半导体材料438的前侧456而安置在介于第一光电二极管SPD414与第二光电二极管LPD 416之间的第一沟道区域460上方。第一转移栅极TX1 418经耦合以通过第一沟道区域460将图像电荷从第一光电二极管SPD 414转移到第二光电二极管LPD416。第二转移栅极TX2 420接近半导体材料438的前侧456而安置在介于第二光电二极管LPD 416与浮动扩散部FD 422之间的第二沟道区域462上方。第二转移栅极TX2 420经耦合以将图像电荷从第二光电二极管LPD 416转移到浮动扩散部FD 422。在一个实例中，薄栅极氧化物层448安置在第一转移栅极TX1 418及第二转移栅极TX2 420与半导体材料438的前侧456之间。
第二光电二极管LPD 416也是n型钉扎光电二极管(NPPD)，且包含位于半导体材料438中的接近半导体材料438的前侧456的第一浅子区域NPPD 416A。在实例中，第一浅子区域NPPD 416A对应于图3中的第一浅子区域NPPD 316A，且因此接近间隙334。图4中的第二光电二极管LPD 416还包含位于半导体材料438中的接近第一转移栅极TX1 418及第二转移栅极TX2 420且接近半导体材料438的前侧456的第二浅子区域VP NPPD 416B。第二光电二极管LPD 416还包含位于半导体材料438中的在第二光电二极管LPD 416的第一浅子区域NPPD416A及第二浅子区域VP NPPD 416B下面且介于第一浅子区域NPPD 416A及第二浅子区域VPNPPD 416B与半导体材料438的背侧454之间的深NPPD区域DNPPD 416C。注意，在图4中，半导体材料438中似乎存在两个深区域DNPPD 416C。然而，应了解，这些是同一区域，因为由于所述区域环绕第一光电二极管SPD 414，因而横截面与同一区域相交两次，如在图3中用虚线A-A’图解说明。
在图4中所展示的实例中，第二光电二极管LPD 416的第二浅子区域VP NPPD 416B包含虚拟相位植入，使得第二光电二极管LPD 416的第二浅子区域VP NPPD 416B具有比第二光电二极管LPD 416的第一浅子区域NPPD 416A高的掺杂剂浓度，从而促成第二光电二极管LPD 416中的电场梯度，所述电场梯度将电子从第一浅子区域NPPD 416A朝向第一转移栅极TX1 418及第二转移栅极TX2 420驱动到第二光电二极管LPD 416的第二浅子区域VPNPPD 416B中。
如所描绘实例中所展示，像素单元410还包含p阱(PW)区域444，所述PW区域安置在半导体材料438中围绕第一光电二极管SPD 414介于第一光电二极管SPD 414与第二光电二极管LPD 416之间，以将第一光电二极管与第二光电二极管彼此隔离。另外，第二p阱区域445安置在半导体材料438中环绕第二光电二极管LPD 416，以隔离第二光电二极管LPD416。像素单元410还包含浅沟槽隔离(STI)区域442，所述STI区域安置在半导体材料438中，接近前侧456介于第一光电二极管SPD 414与第二光电二极管LPD 416之间，以将第一光电二极管SPD 414与第二光电二极管LPD 416彼此隔离。另外，像素单元410进一步包含背侧深沟槽隔离(BDTI)结构440，所述BDTI结构安置在半导体材料438中从半导体材料438的背侧454朝向半导体材料438的前侧456延伸，以将第一光电二极管SPD 414与第二光电二极管LPD 416隔离。
图4中所图解说明的实例性像素单元410还展示：微透镜446安置在半导体材料438的背侧454上方且在像素单元410的第一光电二极管SPD 414及第二光电二极管LPD416上方居中。在一个实例中，微透镜446具有弯曲马鞍形横截面，所述横截面包含较薄内区域，在图4中标示为SPD区域，所述区域在第一光电二极管SPD 414上方对准，使得通过较薄内SPD区域的入射光452从微透镜446被引导穿过半导体材料438的背侧454且进入到第一光电二极管SPD 414中。微透镜446的马鞍形横截面还包含较厚外区域，在图4中标示为LPD区域，所述区域环绕较薄内SPD区域且在第二光电二极管LPD416上方对准，使得通过较厚外LPD区域的入射光450由微透镜446聚焦穿过半导体材料438的背侧454且进入到第二光电二极管LPD416中。应了解，将进入微透镜446的弯曲LPD区域的入射光450重定向或聚焦到第二光电二极管416中有助于减小或消除否则将由进入像素阵列的相邻像素单元的入射光450/452中的任一者造成的不希望串扰。
图5A-5C展示根据本发明的教示的用以制造实例性微透镜546的实例性工艺的横截面图。应了解，图5A-5C的微透镜546可为图4的像素单元410中、或图3的像素单元310的实例中、或图2的像素单元210的实例中、或图1的像素单元110的实例中所包含的微透镜446的实例，且下文所提及的类似地命名及编号的元件可类似于如上文所描述而耦合及起作用。
如图5A中所描绘的实例中所展示，微透镜546最初是微透镜材料层，例如，适合用作微透镜的聚合物层或其它材料。
图5B展示：接着在微透镜材料层的中心中形成、蚀刻或以其它方式薄化微透镜546的内区域(其标示为SPD区域)。在经薄化中心SPD区域外部的外区域保持较厚且界定微透镜546的LPD区域。
图5C展示：接着使微透镜546的微透镜材料热回流，这致使微透镜546的形状发生弯曲，从而产生微透镜546的马鞍形横截面。因此，外LPD区域如所展示为较厚且弯曲的，且环绕较薄内SPD区域。如所论述，微透镜546如先前在图1-4中所描述在像素单元上方对准，使得较厚外LPD区域在LPD光电二极管上方对准，且较薄SPD区域在下伏像素单元的SPD光电二极管上方居中且对准。通过微透镜546的较厚外LPD区域的入射光被聚焦到下伏LPD光电二极管中，且通过微透镜546的SPD区域的入射光被引导到下伏像素单元的SPD光电二极管中。
图6是根据本发明的教示的图解说明实例性嵌入式分裂二极管像素单元中的信号的时序图660。应了解，图6中所描述的信号可为图4的实例性像素单元410、或图3的像素单元310的实例、或图2的像素单元210的实例、或图1的像素单元110的实例中所包含的信号，且下文所提及的类似地命名及编号的元件可类似于如上文所描述而耦合及起作用。举例来说，如图2中所展示，像素单元210包含AVDD电压供应器信号258、经耦合以控制复位晶体管228的复位信号RST、经耦合以控制第一转移栅极218的第一转移栅极信号TX1及经耦合以控制第二转移栅极220的第二转移栅极信号TX2。相应地，图6展示AVDD电压供应器信号658、复位信号528、第一转移栅极信号TX1 618及第二转移栅极信号TX2 620。
在时间T0处，AVDD电压供应器658是作用的。在时间T1处，复位信号RST 628、第二转移栅极控制信号TX2 620及第一转移栅极控制信号TX1 618全部同时接通。在时间T2处，复位信号RST 628、第二转移栅极控制信号TX2 620及第一转移栅极控制信号TX1 618全部同时关断。因此，第一转移栅极、第二转移栅极及复位晶体管全部适于被接通，且接着在入射光积分于第一SPD光电二极管及第二LPD光电二极管中之前被同时关断，以将浮动扩散部以及第一光电二极管及第二光电二极管复位。
在操作中，在像素于时间T1与T2之间已复位之后，积分在时间T2与T5之间发生于LPD光电二极管中，且积分在时间T2与T9之间发生于SPD光电二极管中。然而，在于时间T5与T6之间开始读出LPD光电二极管之前，浮动扩散部FD在时间T3与T4之间可被复位，其中复位信号RST 628在时间T3处接通且在时间T4处关断。接着，在时间T5处，第二转移栅极控制信号TX2 620接通，从而允许LPD光电二极管中光生的图像电荷在时间T5与时间T6之间转移到浮动扩散部，以进行较低强度入射光从LPD光电二极管的高转换增益(HCG)读出。接着在时间T6处关断第二转移栅极控制信号TX2620。
在于时间T9与T10之间读出SPD光电二极管之前，浮动扩散部FD及LPD光电二极管在时间T7与T8之间可被复位，其中复位信号RST 628及第二转移栅极信号TX2 620在时间T7处接通且复位信号RST 628在时间T8处关断。第二转移栅极控制信号TX2 620在时间T8处保持接通，且接着在时间T9处，第一转移栅极信号TX1 618也接通，使得第一转移栅极TX1及第二转移栅极TX2两者同时接通，从而允许SPD光电二极管中的图像电荷通过第一转移栅极TX1被转移到LPD光电二极管，且接着通过第二转移栅极TX2(其在时间T9处保持接通)被转移到浮动扩散部FD，以进行较高强度入射光从SPD光电二极管的低转换增益(LCG)读出。接着在时间T10处，LPD光电二极管及SPD光电二极管两者均已被读出，且第一转移栅极控制信号TX1 618及第二转移栅极控制信号TX2 620被关断。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上描述并非打算为穷尽性的或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述了本发明的特定实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可鉴于以上详细说明对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于本说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来决定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (31)

1.一种像素单元，其包括：
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，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；
浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；
第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及
第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括：
第一p阱区域，其安置在所述半导体材料中介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管彼此隔离；及
第二p阱区域，其安置在所述半导体材料中环绕所述第二光电二极管，以隔离所述第二光电二极管。
3.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括浅沟槽隔离STI区域，所述STI区域安置在所述半导体材料中介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管彼此隔离。
4.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第二光电二极管在所述第二光电二极管的与所述第一转移栅极及所述第二转移栅极横向相对的侧上的区域中包含间隙，使得所述第二光电二极管中的掺杂剂浓度远离所述第一转移栅极及所述第二转移栅极朝向所述间隙而减小。
5.根据权利要求4所述的像素单元，其中所述间隙从所述第二光电二极管的输出周界朝向所述第二光电二极管的所述内周界横向延伸。
6.根据权利要求5所述的像素单元，其中所述间隙从所述第二光电二极管的所述外周界完全地延伸到所述第二光电二极管的所述内周界。
7.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述入射光穿过所述半导体材料的背侧被引导到所述第一光电二极管及所述第二光电二极管。
8.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第一光电二极管是n型钉扎光电二极管NPPD，所述NPPD包括：
浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述半导体材料的前侧；及
深区域，其位于所述半导体材料中，在所述浅区域下面且介于所述第一光电二极管的所述浅区域与所述半导体材料的背侧之间，且
其中所述第二光电二极管是n型钉扎光电二极管NPPD，所述NPPD包括：
第一浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述间隙且接近所述半导体材料的所述前侧；及
第二浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述第一转移栅极及所述第二转移栅极且接近所述半导体材料的所述前侧；及
深区域，其位于所述半导体材料中，在所述第二光电二极管的所述第一浅区域及所述第二浅区域下面且介于所述第一浅区域及所述第二浅区域与所述半导体材料的所述背侧之间。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其中所述第二光电二极管的所述第二浅区域包含虚拟相位植入，使得所述第二光电二极管的所述第二浅区域具有比所述第二光电二极管的所述第一浅区域高的掺杂剂浓度，从而促成所述第二光电二极管中的电场梯度，所述电场梯度在所述第二光电二极管中将电子朝向所述第一转移栅极及所述第二转移栅极而驱动。
10.根据权利要求7所述的像素单元，其进一步包括背侧深沟槽隔离BDTI结构，所述BDTI结构安置在所述半导体材料中，从所述半导体材料的所述背侧朝向所述半导体材料的前侧延伸，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管隔离。
11.根据权利要求7所述的像素单元，其进一步包括微透镜，所述微透镜安置在所述半导体材料的所述背侧上方且在所述第一光电二极管及所述第二光电二极管上方居中，其中所述微透镜具有马鞍形横截面，所述马鞍形横截面包含：
较薄内区域，其在所述第一光电二极管上方对准，使得通过所述较薄内区域的所述入射光从所述微透镜被引导穿过所述半导体材料的所述背侧进入到所述第一光电二极管中；及
较厚外区域，其环绕所述较薄内区域且在所述第二光电二极管上方对准，使得通过所述较厚外区域的所述入射光由所述微透镜聚焦穿过所述半导体材料的所述背侧进入到所述第二光电二极管中。
12.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括：
复位晶体管，其耦合到所述浮动扩散部以响应于复位信号而将所述像素单元复位；
放大器晶体管，其具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子以响应于所述浮动扩散部中的所述图像电荷而产生图像数据信号；及
行选择晶体管，其耦合到所述放大器晶体管以响应于行选择信号而将所述图像数据信号输出到输出位线。
13.根据权利要求12所述的像素单元，其进一步包括：
双浮动扩散晶体管，其耦合在所述浮动扩散部与所述复位晶体管之间；及
电容器，其耦合到所述双浮动扩散晶体管，其中所述双浮动扩散晶体管适于响应于双浮动扩散信号而将所述电容器耦合到所述浮动扩散部。
14.根据权利要求12所述的像素单元，其中所述复位晶体管、所述第一转移栅极及所述第二转移栅极全部适于被接通，且接着在所述入射光积分于所述第一光电二极管及所述第二光电二极管中之前被同时关断，以将所述浮动扩散部以及所述第一光电二极管及所述第二光电二极管复位。
15.根据权利要求14所述的像素单元，其中所述第二转移栅极适于被接通，且接着在所述入射光由所述第二光电二极管积分之后被关断，以读出所述第二光电二极管中光生的所述图像电荷，以进行较低强度入射光从所述第二光电二极管的高转换增益HCG读出。
16.根据权利要求15所述的像素单元，其中所述第一转移栅极及所述第二转移栅极进一步适于在所述较低强度入射光从所述第二光电二极管的所述HCG读出之后且在所述入射光由所述第一光电二极管积分之后被同时接通，以将所述第一光电二极管中光生的所述图像电荷转移到所述第二光电二极管，及读出从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管的所述图像电荷，以进行较高强度入射光从所述第一光电二极管的低转换增益LCG读出。
17.根据权利要求15所述的像素单元，其中所述复位晶体管进一步适于被接通以将所述浮动扩散部复位，之后接通所述第二转移栅极以进行所述HCG读出。
18.根据权利要求16所述的像素单元，其中所述复位晶体管及所述第二转移栅极两者进一步适于在所述HCG读出之后被同时接通，以在所述HCG读出之后且在所述第一转移栅极及所述第二转移栅极被同时接通之前将所述浮动扩散部及所述第二光电二极管复位以进行所述LCG读出。
19.一种高动态范围HDR成像系统，其包括：
像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含：
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，其中所述第二光电二极管是外光电二极管，且所述第一光电二极管是内光电二极管，使得所述第二光电二极管在所述半导体材料中横向环绕所述第一光电二极管，其中所述第二光电二极管在所述半导体材料中具有接近所述第一光电二极管的外周界的内周界，其中所述第一光电二极管及所述第二光电二极管适于响应于入射光而光生图像电荷；
浮动扩散部，其安置在所述半导体材料中，接近所述第二光电二极管的外周界；
第一转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一沟道区域上方，其中所述第一转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第二光电二极管；及
第二转移栅极，其接近所述半导体材料而安置在介于所述第二光电二极管与所述浮动扩散部之间的第二沟道区域上方，其中所述第二转移栅极经耦合以将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述浮动扩散部；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从多个像素读出图像数据。
20.根据权利要求19所述的HDR成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储来自所述像素阵列的所述图像数据的功能逻辑。
21.根据权利要求19所述的HDR成像系统，其中每一像素单元进一步包括：
第一p阱区域，其安置在所述半导体材料中介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管彼此隔离；及
第二p阱区域，其安置在所述半导体材料中环绕所述第二光电二极管，以隔离所述第二光电二极管。
22.根据权利要求19所述的HDR成像系统，其中每一像素单元进一步包括浅沟槽隔离STI区域，所述STI区域安置在所述半导体材料中介于所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管彼此隔离。
23.根据权利要求19所述的HDR成像系统，其中所述第二光电二极管在所述第二光电二极管的与所述第一转移栅极及所述第二转移栅极横向相对的侧上的区域中包含间隙，使得所述第二光电二极管中的掺杂剂浓度远离所述第一转移栅极及所述第二转移栅极朝向所述间隙而减小。
24.根据权利要求23所述的HDR成像系统，其中所述间隙从所述第二光电二极管的输出周界朝向所述第二光电二极管的所述内周界横向延伸。
25.根据权利要求24所述的HDR成像系统，其中所述间隙从所述第二光电二极管的所述外周界完全地延伸到所述第二光电二极管的所述内周界。
26.根据权利要求19所述的HDR成像系统，其中所述入射光穿过所述半导体材料的背侧被引导到所述第一光电二极管及所述第二光电二极管。
27.根据权利要求26所述的HDR成像系统，其中所述第一光电二极管是n型钉扎光电二极管NPPD，所述NPPD包括：
浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述半导体材料的前侧；及
深区域，其位于所述半导体材料中，在所述浅区域下面且介于所述第一光电二极管的所述浅区域与所述半导体材料的所述背侧之间，且
其中所述第二光电二极管是n型钉扎光电二极管NPPD，所述NPPD包括：
第一浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述间隙且接近所述半导体材料的所述前侧；及
第二浅区域，其位于所述半导体材料中，接近所述第一转移栅极及所述第二转移栅极且接近所述半导体材料的所述前侧；及
深区域，其位于所述半导体材料中，在所述第二光电二极管的所述第一浅区域及所述第二浅区域下面且介于所述第一浅区域及所述第二浅区域与所述半导体材料的所述背侧之间。
28.根据权利要求27所述的HDR成像系统，其中所述第二光电二极管的所述第二浅区域包含虚拟相位植入，使得所述第二光电二极管的所述第二浅区域具有比所述第二光电二极管的所述第一浅区域高的掺杂剂浓度，从而促成所述第二光电二极管中的电场梯度，所述电场梯度在所述第二光电二极管中将电子朝向所述第一转移栅极及所述第二转移栅极而驱动。
29.根据权利要求26所述的HDR成像系统，其中每一像素单元进一步包括背侧深沟槽隔离BDTI结构，所述BDTI结构安置在所述半导体材料中，从所述半导体材料的所述背侧朝向所述半导体材料的前侧延伸，以将所述第一光电二极管与所述第二光电二极管隔离。
30.根据权利要求26所述的HDR成像系统，其中每一像素单元进一步包括微透镜，所述微透镜安置在所述半导体材料的所述背侧上方且在所述第一光电二极管及所述第二光电二极管上方居中，其中所述微透镜具有马鞍形横截面，所述马鞍形横截面包含：
较薄内区域，其在所述第一光电二极管上方对准，使得通过所述较薄内区域的所述入射光从所述微透镜被引导穿过所述半导体材料的所述背侧进入到所述第一光电二极管中；及
较厚外区域，其环绕所述较薄内区域且在所述第二光电二极管上方对准，使得通过所述较厚外区域的所述入射光由所述微透镜聚焦穿过所述半导体材料的所述背侧进入到所述第二光电二极管中。
31.根据权利要求19所述的HDR成像系统，其中每一像素单元进一步包括：
复位晶体管，其耦合到所述浮动扩散部以响应于复位信号而将所述像素单元复位；
放大器晶体管，其具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子以响应于所述浮动扩散部中的所述图像电荷而产生图像数据信号；及
行选择晶体管，其耦合到所述放大器晶体管以响应于行选择信号而将所述图像数据信号输出到耦合到所述读出电路的输出位线。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112382641A (zh) * 2020-11-11 2021-02-19 上海韦尔半导体股份有限公司 高动态范围图像传感器的环形像素阵列
CN112995548A (zh) * 2019-12-17 2021-06-18 豪威科技股份有限公司 多栅极横向溢出积分电容器传感器
CN113451338A (zh) * 2020-03-27 2021-09-28 爱思开海力士有限公司 图像感测装置
CN113810635A (zh) * 2020-05-28 2021-12-17 豪威科技股份有限公司 高动态范围cmos图像传感器设计

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114567740A (zh) 2017-04-05 2022-05-31 株式会社尼康 摄像元件及摄像装置
CN108270981B (zh) * 2017-12-19 2021-05-14 思特威(上海)电子科技股份有限公司 像素单元及其成像方法和成像装置
US10741592B2 (en) * 2018-06-07 2020-08-11 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors with multi-photodiode image pixels and vertical transfer gates
US11451717B2 (en) * 2019-11-05 2022-09-20 Omnivision Technologies, Inc. Multi-cell pixel array for high dynamic range image sensors
JP2021086851A (ja) * 2019-11-25 2021-06-03 キヤノン株式会社 半導体装置および機器
US11658202B2 (en) 2020-05-15 2023-05-23 Omnivision Technologies, Inc. Dual row select pixel for fast pixel binning
US11527569B2 (en) 2020-05-18 2022-12-13 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range split pixel CMOS image sensor with low color crosstalk
KR20220051052A (ko) 2020-10-16 2022-04-26 삼성전자주식회사 이미지 센서
US11699713B2 (en) 2021-03-05 2023-07-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Passivation scheme for image sensor substrate
US11450696B1 (en) * 2021-04-13 2022-09-20 Omnivision Technologies, Inc. Dual floating diffusion transistor with vertical gate structure for image sensor
US11876110B2 (en) 2021-06-09 2024-01-16 Omnivision Technologies, Inc. SiGe photodiode for crosstalk reduction
KR20230134882A (ko) * 2022-03-15 2023-09-22 삼성전자주식회사 이미지 센서

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007011026A1 (ja) * 2005-07-22 2007-01-25 Nikon Corporation 撮像素子、焦点検出装置および撮像システム
CN104023183A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 全视科技有限公司 具有多个放大器晶体管的高动态范围像素
US20160360134A1 (en) * 2015-06-08 2016-12-08 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device and imaging module
CN206758436U (zh) * 2016-06-16 2017-12-15 半导体元件工业有限责任公司 像素阵列
US20170373105A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-28 Qualcomm Incorporated Multi diode aperture simulation

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090021623A1 (en) * 2007-07-18 2009-01-22 Micron Technology, Inc. Systems, methods and devices for a CMOS imager having a pixel output clamp
WO2009042901A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Regents Of The University Of Minnesota Image sensor with high dynamic range imaging and integrated motion detection
US8478076B2 (en) * 2010-07-05 2013-07-02 Apple Inc. Alignment of digital images and local motion detection for high dynamic range (HDR) imaging
CN103779365B (zh) * 2012-10-19 2016-06-22 比亚迪股份有限公司 宽动态范围像素单元、其制造方法及其构成的图像传感器
US20140246561A1 (en) * 2013-03-04 2014-09-04 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range pixel having a plurality of photodiodes with a single implant
US9324759B2 (en) * 2013-12-19 2016-04-26 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor pixel for high dynamic range image sensor
US9911773B2 (en) * 2015-06-18 2018-03-06 Omnivision Technologies, Inc. Virtual high dynamic range large-small pixel image sensor
US9813635B2 (en) * 2015-08-24 2017-11-07 Motorola Mobility Llc Method and apparatus for auto exposure value detection for high dynamic range imaging
DE202016008547U1 (de) * 2015-09-17 2018-05-14 Semiconductor Components Industries, Llc Pixel mit hohem Dynamikbereich unter Verwendung von Lichttrennung
US10110839B2 (en) * 2016-05-03 2018-10-23 Semiconductor Components Industries, Llc Dual-photodiode image pixel
CN106056629A (zh) * 2016-05-31 2016-10-26 南京大学 通过运动物体检测和扩展去除鬼影的高动态范围成像方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007011026A1 (ja) * 2005-07-22 2007-01-25 Nikon Corporation 撮像素子、焦点検出装置および撮像システム
US20090090841A1 (en) * 2005-07-22 2009-04-09 Nikon Corporation Image sensor, focus detecting device, and imaging system
CN104023183A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 全视科技有限公司 具有多个放大器晶体管的高动态范围像素
US20160360134A1 (en) * 2015-06-08 2016-12-08 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device and imaging module
CN206758436U (zh) * 2016-06-16 2017-12-15 半导体元件工业有限责任公司 像素阵列
US20170373105A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-28 Qualcomm Incorporated Multi diode aperture simulation

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112995548A (zh) * 2019-12-17 2021-06-18 豪威科技股份有限公司 多栅极横向溢出积分电容器传感器
CN112995548B (zh) * 2019-12-17 2023-11-21 豪威科技股份有限公司 多栅极横向溢出积分电容器传感器
CN113451338A (zh) * 2020-03-27 2021-09-28 爱思开海力士有限公司 图像感测装置
CN113810635A (zh) * 2020-05-28 2021-12-17 豪威科技股份有限公司 高动态范围cmos图像传感器设计
CN113810635B (zh) * 2020-05-28 2022-05-17 豪威科技股份有限公司 高动态范围cmos图像传感器设计
CN112382641A (zh) * 2020-11-11 2021-02-19 上海韦尔半导体股份有限公司 高动态范围图像传感器的环形像素阵列

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