CN111033745A - 具有像素级互连部的堆叠式光电传感器组件 - Google Patents
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Abstract
实施例涉及堆叠式光电传感器组件，其中两个衬底垂直地堆叠。这两个衬底由像素级互连部进行连接以将信号从第一衬底处的光电二极管提供到第二衬底上的电路。第二衬底上的电路执行按常规在第一衬底上执行的操作。通过堆叠第一衬底和第二衬底，可以使光电传感器组件变得更加紧凑，同时增加或至少保持光电传感器组件的光电二极管填充因子。
Description
背景
本公开总体上涉及光传感器，且更具体地涉及用于机器视觉的背面照明光传感器。
光传感器是将光转换成电信号的电子探测器。在摄影术中，快门是允许光在一段所确定的时间期间通过的设备，将光传感器暴露于光，以便捕获场景的图像。滚动快门(rolling shutter)是图像捕获的方法，其中通过在水平或垂直方向上快速扫描整个场景来捕获静止图片或视频的每一帧。也就是说，每个像素不是同时被捕获；来自不同行的像素在不同时间被捕获。滚动快门主要用在手机传感器中。相反，机器视觉使用全局快门(global shutter)，其中每个像素同时被捕获。
大多数光传感器使用背面照明。背照式传感器是一种类型的数字光传感器，其使用成像元件的特定布置来增加所捕获的光量，改善了弱光性能。传统的前照式数字照相机与人眼类似地被构造，镜头在前面以及光电探测器在背面。传感器的该定向将数字照相机传感器的有源矩阵(单独图片元素的矩阵)置于它的前表面上并简化制造。然而，矩阵及其布线反射一些光，减少了可用来被捕获的信号。背照式传感器包含相同的元件，但通过在制造期间翻转硅晶片且然后使它的反面变薄来将布线布置在光电阴极层后面，使得光可以射到光电阴极层而不穿过布线层，从而提高输入光子被捕获的机会。
然而，存在与传统的背照式传感器相关的问题。存储装置暴露于光，其引起较高的泄漏。此外，光电二极管填充因子(fill factor)或像素的光敏面积与总像素面积之比很低。大填充因子是理想的，因为更多的像素区域用于光收集，这同时提高了信噪比(SNR)和动态范围。图像传感器的动态范围可度量传感器可以准确捕获的照明范围有多宽。图像传感器的动态范围越宽，在弱光条件下可以显示的细节就越多，且因此成像系统就变得更通用。图像传感器的SNR度量在信号与它的相关噪声之间的比。具有低SNR的图像传感器将具有在所捕获的图像中出现的大量噪声。具有高SNR的图像传感器可以在弱光条件下被使用。由于与现有背照式传感器相关的问题，改进的光电组件是合乎需要的。
概述
实施例涉及具有堆叠式衬底和连接在堆叠式衬底中的电路的像素级互连部(pixel level interconnect)的光电传感器的像素。像素可以包括：第一衬底的一部分、第二衬底的一部分以及像素级互连部，第二衬底的该部分具有用于处理来自第一衬底的信号的电路。第一衬底的该部分包括用于检测光的光电二极管和与光电二极管相关联以存储来自光电二极管的光电荷的扩散阱。存储在扩散阱中的电荷的数量取决于入射在光电二极管上的光的持续时间和强度。像素级互连部将第一衬底的第二扩散阱连接到第二衬底的电路以将信号从第二扩散阱传送到电路。
在涉及光电传感器的像素、方法、存储介质、系统和计算机程序产品的所附权利要求中具体公开了根据本发明的实施例，其中在一个权利要求类别(例如像素)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如方法)中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面的权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在根据本发明的实施例中，光电传感器的像素包括：第一衬底的一部分，其包括：用于检测光的光电二极管以及与光电二极管相关联以存储来自光电二极管的电荷的扩散阱，存储在扩散阱中的电荷的数量取决于入射在光电二极管上的光的持续时间和强度；第二衬底的一部分，其具有用于处理来自第一衬底的信号的电路；以及像素级互连部，其将第一衬底的第二阱连接到第二衬底的电路以将信号从扩散阱传送到电路。
第一衬底还可以包括：在像素的非曝光时间期间导通的第一晶体管；以及被导通以将存储在光电二极管中的光电荷转移到阱的第二晶体管。
第一衬底可以是P掺杂的，以及扩散阱和另一扩散阱可以是N掺杂的。
第一衬底可以具有被形成有光电二极管和面向第二衬底的扩散阱的前表面。
第二衬底可以具有被形成有电路的前表面和在第二衬底的相对侧处的后表面，前表面面向第一衬底。
信号可以是取决于从光电二极管转移到扩散阱的电荷的数量的电压信号。
处理可以包括采样和模数转换中的至少一个。
在根据本发明的另一实施例中，一种用于操作光电传感器的方法包括：由第一衬底中的光电二极管检测光；由第一衬底中的扩散阱存储来自光电二极管的电荷，该电荷取决于入射在光电二极管上的光的持续时间和强度；在第一衬底中生成代表存储在扩散阱中的电荷的信号；由像素级互连部将信号从第一衬底发送到第二衬底，像素级互连部将第一衬底的扩散阱连接到第二衬底的电路；以及由第二衬底中的电路处理信号。
该方法还可以包括：在像素的非曝光时间期间导通第一晶体管；响应于导通第一晶体管，将电荷从另一扩散阱转移到光电二极管；以及导通第二晶体管以将存储在光电二极管中的电荷转移到扩散阱。
第一衬底可以是P掺杂的，以及扩散阱和另一扩散阱可以是N掺杂的。
第一衬底可以具有被形成有光电二极管和面向第二衬底的扩散阱的前表面。
第二衬底可以具有被形成有电路的前表面和在第二衬底相对侧处的后表面，前表面面向第一衬底。
信号可以是取决于从光电二极管转移到扩散阱的电荷的数量的电压信号。
处理可以包括采样和模数转换中的至少一个。
在本发明的另一实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件在被执行时可操作来在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中执行。
在本发明的另一实施例中，计算机实现的方法使用根据本发明或任何上面提到的实施例的系统。
在本发明的另一实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中被使用。
一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件在被执行时可操作来在根据本发明的系统中执行。
一种计算机实现的方法，其中根据上述发明的系统被使用。
一种计算机实现的方法，其中根据上述发明的存储介质被使用。
附图简述
图1是示出根据一个实施例的电子设备的高级框图。
图2是示出根据一个实施例的传感器架构的视图。
图3是示出根据一个实施例的堆叠式光电组件的横截面视图。
图4是示出堆叠式光电传感器组件的处理流程的视图。
附图仅为了说明的目的而描绘各种实施例。本领域中的技术人员从下面的讨论中将容易认识到本文示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本文所述的原理。
详细描述
现在将详细参考优选实施例，其示例在附图中被示出。只要有可能，相同的参考数字将用于在全部附图中指相同或相似的部件。
实施例涉及堆叠式光电传感器组件，其中两个衬底垂直地堆叠。这两个衬底由像素级的互连部连接以将信号从第一衬底处的光电二极管提供到第二衬底上的电路。第二衬底上的电路执行按常规在第一衬底上执行的操作。通过堆叠第一衬底和第二衬底，可以使光电传感器组件变得更紧凑，同时增加或至少保持光电传感器组件的光电二极管填充因子。
示例系统架构
图1是示出根据一个实施例的电子设备的高级框图。在一个实施例中，电子设备100除了其他部件以外还包括通信地耦合的处理器102和光电传感器104。电子设备100可以包括在图1中未示出的其他部件，例如存储器和各种其他传感器。
处理器102是对数据源执行操作的电子电路。数据源可以包括提供传感器数据108的光电传感器104。处理器102生成被发送到光电传感器104的操作指令106。由处理器102执行的处理可以包括传感器数据108的模数转换，其将电压模拟信号或电流模拟信号转换成数字信号。
光电传感器104是测量光强度并执行光转换的电路。测量光强度可以涉及由光电二极管检测光，以及光转换可以涉及由光电二极管将光转换成电压或电流信号。
图2是示出根据一个实施例的光电传感器104的示意图。光电传感器104除了其他部件以外还包括数字块202、全局计数器203、行驱动器和全局信号驱动器模块204、移动产业处理器接口(MIPI)205、计数器缓冲器206、数字像素阵列207、读出放大器208、线路存储器209、功率调节器210、斜波发生和缓冲器模块211以及读出放大偏置模块212。
数字块202是处理与光电传感器104的操作相关联的数字信号的电路。在一个或更多个实施例中，数字块202的至少一部分可以作为数字像素阵列207的一部分而不是与数字像素阵列207分离的电路来被提供。
全局计数器203是由级联触发器构成的数字时序逻辑电路，并且向光电传感器104的各种部件提供计数器信号。
行驱动器和全局信号驱动器模块204是经由扫描线(未示出)向像素行提供信号的电路。提供给每行像素的信号指示图像信号的感测和/或在每行像素处的复位操作。
MIPI 205是用于将传感器数据108从光电传感器104传输到处理器102的串行接口。MIPI接口通常具有单个时钟通道和传送串行数据的两个数据通道(未示出)。这三条通道在成对的导线上传送信号，其中信号常常是差分信号。
计数器缓冲器206是从全局计数器203接收计数器信号并且向在数字像素阵列207中的像素列发送信号以协调感测和复位操作的电路。
数字像素阵列207包括多个像素。在一个实施例中，数字像素阵列以二维方式布置，可通过行和列来寻址。每个像素被配置为对光进行感测并输出对应于输入光的强度的信号。每个像素可以包括如下面参考图3所述的部件。
读出放大器208是读取电路中的元件，其用于从数字像素阵列207读出数字信号。读出放大器208感测来自位线的低功率信号，该低功率信号表示由数字像素阵列207中的像素捕获的光的强度。读出放大器208可以通过利用模数转换器(ADC)来生成数字输出信号。在一个或更多个实施例中，读出放大器208的至少一部分可以被包括在数字像素阵列207中。
在经由MIPI 205将数字值作为传感器数据108发送到处理器102之前，线路存储器209暂时存储如由读出放大器208读出并由数字块202处理的、在数字像素阵列207处检测到的光强度的所感测的数字值。
功率调节器210是提高传送到光电传感器104的部件的功率质量的电路。功率调节器210可以保持并传送允许光电传感器104的部件正确地运行的恒定电压。在一个实施例中，功率调节器210是使正弦AC波形平滑的AC功率调节器。在替代实施例中，功率调节器210是电力线调节器，其接受功率并基于连接到电力线调节器的部件的要求来对它进行修改。
斜波发生器和缓冲器模块211包括斜波发生器和缓冲器。斜波发生器是函数发生器，其将它的电压增加到特定值。斜波发生器可以用于在改变负载时避免颠簸(jolt)。缓冲器提供从一个电路到另一个电路的电阻抗变换以防止斜波发生器被负载影响。
读出放大偏置模块212向读出放大器208提供偏置电压信号。偏置电压信号是为了建立读出放大器208的适当操作条件的目的的预定电压，例如稳定的DC电压。
示例堆叠式光电传感器组件
图3是示出根据一个实施例的堆叠式光电传感器组件300的横截面视图。在一个实施例中，堆叠式光电组件包括耦合到第二衬底340的第一衬底310。第一衬底310可以是背面照明302的传感器，其被翻转并且除了其他部件以外还包括第一n+扩散阱312、光电二极管314、晶体管AB 313、晶体管TX 316和第二n+扩散阱320。
晶体管AB 311和晶体管TX 316中的每一个包括有源层、耦合到有源层的漏电极、用作晶体管AB和晶体管TX的源极的光电二极管314、在有源层上的绝缘层以及栅电极(未示出)。通过控制在晶体管AB 311和晶体管TX 316的栅极处的电压电平，晶体管AB 311和晶体管TX 316可以被导通或关断。这些晶体管的栅极从在数字像素阵列207外部的电路接收信号。
第一n+扩散阱312是在第一衬底310中形成的N掺杂注入区。当晶体管AB 313在非曝光时间期间导通时，第一n+扩散阱312接收从光电二极管314转移的光电子。这相当于在传统胶片照相机中的关闭快门模式。光电子从光电二极管314到n+扩散阱312的转移确保没有光电子累积在光电二极管314上，因为非曝光时间是当没有信号被生成的时段。n+扩散阱312通常连接到正电压源(例如VDD)，因此光电子被排出。在相当于胶片照相机中的快门打开模式的曝光时间期间，晶体管AB 313和晶体管TX316都关断，且光电子最初存储在光电二极管314内部。在曝光结束时，晶体管TX 316被导通。作为结果，存储在光电二极管314中的电荷被转移到第二n+扩散阱320。
光电二极管314是将光转换成电流的半导体器件。当光子在光电二极管314中被吸收时，生成电流。光电二极管314可以是p-n结或PIN结构。当通过背面照明302的光强度较高时，累积在光电二极管314上的电荷的数量比较高。类似地，当通过背面照明302的光强度较低时，累积在光电二极管314上的电荷的数量比较低。
互连部350可以是从n+扩散阱320到第二衬底340中的电路342的像素级直接互连部。在一个实施例中，互连部350传输反映从光电二极管314转移到n+扩散阱320的电荷的数量的电压信号。在替代实施例中，互连部350传输反映从光电二极管314转移到n+扩散阱320的电荷的数量的电流信号。互连部350将电压信号传送到电路342，用于进一步处理(例如采样和模数转换)。在又一其他实施例中，堆叠式光电传感器组件300可以包括也将信号从第二衬底340的电路342传输到第一衬底310的附加互连部。例如，可以经由这些附加互连部从电路342传输用于控制晶体管AB313和晶体管TX 316的信号。
实施例将在传统光电传感器中设置在第一衬底310上的各种电路部件移动到第二衬底340，并且经由像素级互连部350将第二衬底340的电路连接到第一衬底310中的部件。移动到第二衬底340的各种电路部件除了别的以外还可以包括开关、放大器和电流源。以这种方式，可以有益地减小由第一衬底310中的部件占据的面积，并且可以增加填充因子。
在堆叠式光电传感器组件中的示例操作过程
图4是示出堆叠式光电传感器组件的处理流程的视图。首先，在非曝光或快门关闭期期间将电荷从光电二极管314转移420到第一衬底310中的第一n+扩散阱312。特别地，晶体管AB 313被导通以在第一n+扩散阱312和光电二极管314之间提供电流路径。其次，在曝光时间期间，快门打开，且电荷累积在光电二极管314上。
在曝光时间结束后，累积在光电二极管314中的电荷转移425到第二n+扩散320。特别地，晶体管AB 313被关断且晶体管TX 316被导通，以提供将光电二极管314中的电荷转移到第二n+扩散阱320的电流路径。
基于转移到第二n+阱320的电荷，在第一衬底310处生成430信号。该信号可以是电压信号或电流信号。
然后，经由像素级互连部350将信号从第一衬底310传输435到堆叠在第一衬底310上的第二衬底340。
第二衬底340中的电路342接收440通过互连部350传输的信号。电路342处理445所接收的信号，用于发送给处理器102。
为了说明的目的提出了本公开的实施例的前述描述；它并不旨在是无遗漏的或将专利权利限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，根据上述公开，许多修改和变化是可能的。
在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制专利权利。因此，意图是专利权利的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开对于专利权利的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了专利权利的范围。
Claims (28)
1.一种光电传感器的像素，包括：
第一衬底的一部分，其包括：
光电二极管，其用于检测光，以及
扩散阱，其与所述光电二极管相关联以存储来自所述光电二极管的电荷，存储在所述扩散阱中的电荷的数量取决于入射在所述光电二极管上的光的持续时间和强度；
第二衬底的一部分，其具有用于处理来自所述第一衬底的信号的电路；以及
像素级互连部，其将所述第一衬底的第二阱连接到所述第二衬底的所述电路以将所述信号从所述扩散阱传送到所述电路。
2.根据权利要求1所述的光电传感器的像素，其中，所述第一衬底还包括：
第一晶体管，其在所述像素的非曝光时间期间被导通；以及
第二晶体管，其被导通以将存储在所述光电二极管中的光电荷转移到所述阱。
3.根据权利要求1所述的光电传感器的像素，其中，所述第一衬底是P掺杂的，以及所述扩散阱和另一扩散阱是N掺杂的。
4.根据权利要求1所述的光电传感器的像素，其中，所述第一衬底具有被形成有所述光电二极管和面向所述第二衬底的所述扩散阱的前表面。
5.根据权利要求1所述的光电传感器的像素，其中，所述第二衬底具有被形成有所述电路的前表面和在所述第二衬底的相对侧处的后表面，所述前表面面向所述第一衬底。
6.根据权利要求1所述的光电传感器的像素，其中，所述信号是取决于从所述光电二极管转移到所述扩散阱的电荷的数量的电压信号。
7.根据权利要求1所述的光电传感器的像素，其中，所述处理包括采样和模数转换中的至少一个。
8.一种用于操作光电传感器的方法，所述方法包括：
由第一衬底中的光电二极管检测光；
由所述第一衬底中的扩散阱存储来自所述光电二极管的电荷，所述电荷取决于入射在所述光电二极管上的光的持续时间和强度；
在所述第一衬底中生成代表存储在所述扩散阱中的所述电荷的信号；
由像素级互连部将所述信号从所述第一衬底发送到第二衬底，所述像素级互连部将所述第一衬底的所述扩散阱连接到第二衬底的电路；以及
由所述第二衬底中的所述电路处理所述信号。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在像素的非曝光时间期间导通第一晶体管；
响应于导通所述第一晶体管，将电荷从另一扩散阱转移到所述光电二极管；以及
导通第二晶体管以将存储在所述光电二极管中的电荷转移到所述扩散阱。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一衬底是P掺杂的，以及所述扩散阱和另一扩散阱是N掺杂的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一衬底具有被形成有所述光电二极管和面向所述第二衬底的所述扩散阱的前表面。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二衬底具有被形成有所述电路的前表面和在所述第二衬底相对侧处的后表面，所述前表面面向所述第一衬底。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述信号是取决于从所述光电二极管转移到所述扩散阱的电荷的数量的电压信号。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述处理包括采样和模数转换中的至少一个。
15.一种光电传感器的像素，包括：
第一衬底的一部分，其包括：
光电二极管，其用于检测光，以及
扩散阱，其与所述光电二极管相关联以存储来自所述光电二极管的电荷，存储在所述扩散阱中的电荷的数量取决于入射在所述光电二极管上的光的持续时间和强度；
第二衬底的一部分，其具有用于处理来自所述第一衬底的信号的电路；以及
像素级互连部，其将所述第一衬底的第二阱连接到所述第二衬底的所述电路以将所述信号从所述扩散阱传送到所述电路。
16.根据权利要求15所述的光电传感器的像素，其中，所述第一衬底还包括：
第一晶体管，其在所述像素的非曝光时间期间被导通；以及
第二晶体管，其被导通以将存储在所述光电二极管中的光电荷转移到所述阱。
17.根据权利要求15或16所述的光电传感器的像素，其中，所述第一衬底是P掺杂的，以及所述扩散阱和另一扩散阱是N掺杂的。
18.根据权利要求15到17中的任一项所述的光电传感器的像素，其中，所述第一衬底具有被形成有所述光电二极管和面向所述第二衬底的所述扩散阱的前表面。
19.根据权利要求15到18中的任一项所述的光电传感器的像素，其中，所述第二衬底具有被形成有所述电路的前表面和在所述第二衬底的相对侧处的后表面，所述前表面面向所述第一衬底。
20.根据权利要求15到19中的任一项所述的光电传感器的像素，其中，所述信号是取决于从所述光电二极管转移到所述扩散阱的电荷的数量的电压信号。
21.根据权利要求15到20中的任一项所述的光电传感器的像素，其中，所述处理包括采样和模数转换中的至少一个。
22.一种用于操作光电传感器的方法，所述方法包括：
由第一衬底中的光电二极管检测光；
由所述第一衬底中的扩散阱存储来自所述光电二极管的电荷，所述电荷取决于入射在所述光电二极管上的光的持续时间和强度；
在所述第一衬底中生成代表存储在所述扩散阱中的所述电荷的信号；
由像素级互连部将所述信号从所述第一衬底发送到第二衬底，所述像素级互连部将所述第一衬底的所述扩散阱连接到第二衬底的电路；以及
由所述第二衬底中的所述电路处理所述信号。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：
在像素的非曝光时间期间导通第一晶体管；
响应于导通所述第一晶体管，将电荷从另一扩散阱转移到所述光电二极管；以及
导通第二晶体管以将存储在所述光电二极管中的电荷转移到所述扩散阱。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述第一衬底是P掺杂的，以及所述扩散阱和另一扩散阱是N掺杂的。
25.根据权利要求22到24中的任一项所述的方法，其中，所述第一衬底具有被形成有所述光电二极管和面向所述第二衬底的所述扩散阱的前表面。
26.根据权利要求22到25中的任一项所述的方法，其中，所述第二衬底具有被形成有所述电路的前表面和在所述第二衬底相对侧处的后表面，所述前表面面向所述第一衬底。
27.根据权利要求22到26中的任一项所述的方法，其中，所述信号是取决于从所述光电二极管转移到所述扩散阱的电荷的数量的电压信号。
28.根据权利要求22到27中的任一项所述的方法，其中，所述处理包括采样和模数转换中的至少一个。
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