CN111684791B - 像素结构、具有像素结构的图像传感器装置和系统、以及操作该像素结构的方法 - Google Patents

Abstract

半导体材料(S)中的光电探测器(PD)设置有：第一传输门(TX1)，其位于半导体材料中的光电探测器与第一扩散区域(FD1)之间；第二传输门(TX2)其位于半导体材料中的光电探测器(PD)与第二扩散区域(FD2)之间；电容器(C)，其连接在第一扩散区域(FD1)与第二扩散区域(FD2)之间；第一开关(RST1)，其连接在第一扩散区(FD1)与第一基准电压(V_ref1)之间；以及第二开关(RST1)，其连接在第二扩散区域(FD2)与第二基准电压(V_ref2)之间。

Description

像素结构、具有像素结构的图像传感器装置和系统、以及操作 该像素结构的方法

技术领域

本公开适用于三维成像，特别是差分成像的领域。

背景技术

主动立体视觉系统利用投影仪和至少一个图像传感器。通常，投影仪投射由点、线或其他形状组成的结构光图案，该点、线或其他形状由波长通常为例如940nm的红外光投射在场景上。然后，图案通过包括二维矩阵的像素的全局快门二维图像传感器记录。图像传感器可以被优化以在所使用的波长处具有良好的响应。

在短时间内光图案能够通过强光源，例如VCSEL(垂直腔面发射激光器)投射。最大发射光功率受到人眼安全限制和VCSEL在指定的占空比下能够输出的最大功率的限制。通常使用几微秒至几毫秒的短脉冲。图案例如通过掩模创建，该图案通过光学系统(例如透镜和/或光学衍射元件)投射到场景上。

二维相机记录投射的图案。如在记录的图像中看到的图案的位置取决于物体到相机和投影仪的距离。通过三角测量能够记录该距离。其他计算技术可能涉及深度学习，例如在投射的图案由于像聚焦距离或者干涉等一些光学效应根据物体距离改变外观的情况下。

一些系统使用两个相机，并使用立体视觉来制作深度图。投射图案以在场景中产生一些对比。对于没有太多纹理的对象，例如经过涂覆的墙壁，这可以是需要的。在那些情况下，使用闪光照明。

在上面描述的立体视觉和结构光的情况下，仅在短时间内对光进行脉冲和照明。图像传感器在“全局快门”模式下工作。在闪光之前，所有像素复位并开始聚光。然后图案被投射。在光脉冲之后，曝光时间停止。在像素中，来自光电二极管的信号在像素内存储器中采样。然后，在曝光时间之后逐行读出该内存。这是全局快门图像传感器在所谓的“触发的全局快门模式”下的典型工作方式。

能够替代地使用滚动快门像素。由于背景光对捕获的信号的贡献明显更大，需要快速读出和片外数据缓冲器存储。

能够使用背景图像减法来改善图像中的对比度。在相同的曝光时间但没有投射光的情况下拍摄第二张图像。然后通过软件计算差分图像。优选在图像采集阶段在像素内执行减法运算。如果能够在像素中累积多个图像采集，则是有利的，因为大量的采集周期能够提高信噪比。在每次图像采集后，对应于具有和不具有结构光投射的图像之间的差异的信号保持存储在像素中。因此，来自连续减法运算的信号累积在像素中。

US 8 569 671 B2公开了一种像素，该像素包括用于响应入射辐射而产生电荷的光敏元件。传输门位于光敏元件与感测节点之间，用于控制向感测节点的电荷传输。复位开关连接到感测节点，用于将感测节点复位到预定的电压。第一缓冲放大器具有连接到感测节点的输入。采样级连接到第一缓冲放大器的输出，并且可操作用于采样感测节点的值。第二缓冲放大器具有连接到采样级的输入。控制电路操作复位开关，并使采样级在光敏元件曝光于辐射的同时对感测节点进行采样。像素阵列同步曝光于辐射。当光敏元件在第二曝光时段曝光时，能够读出第一曝光时段的采样值。

发明内容

本发明的目的是提供改进的差分成像。

这个目的通过根据权利要求1的用于半导体成像装置的像素结构、根据权利要求9的具有像素阵列的图像传感器装置、根据权利要求10的成像系统以及根据权利要求13的操作像素结构的方法来实现。实施例和变型源于从属权利要求。

除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。

用于半导体成像装置的像素结构包括：光电探测器，其位于半导体材料中；第一传输门，其位于半导体材料中的光电探测器与第一扩散区域之间；第二传输门，其位于半导体材料中的光电探测器与第二扩散区域之间；电容器，其连接在第一扩散区域与第二扩散区域之间；第一开关，其连接在第一扩散区域与第一基准电压之间；以及第二开关，其连接在第二扩散区域与第二基准电压之间。

在像素结构的实施例中，光电探测器是在包括半导体材料的衬底中的钉扎式光电二极管。

缓冲放大器连接到扩散区域之一以读出像素。在另外的实施例中，缓冲放大器连接到第一扩散区域和第二扩散区域。在这样的实施例中，还可以有连接到光电探测器的附加的抗光晕栅极，以避免载流子在曝光之后流入扩散区域。

在另外的实施例中，第一基准电压与第二基准电压相等，特别是等于电源电压。第一基准电压或第二基准电压可以连接到电源电压。

在另外的实施例中，选择晶体管连接到列总线。由场效应晶体管形成的源极跟随器能够连接到选择晶体管，其中，源极跟随器的栅极连接到第一扩散区域。这是实现缓冲放大器的一种可能的方式。

图像传感器装置包括这种像素结构的二维阵列。

包括这样的图像传感器装置的成像系统还包括与图像传感器装置同步的光源，其中，当在第一扩散区域上采集信号时，光源配置为激活，并且当在第二扩散区域上采集信号时光源配置为非激活。可替代地，当在第二扩散区域上采集信号时，光源配置为激活，并且当在第一扩散区域上采集信号时光源配置为非激活。特别地，光源能够配置成将图案或图案序列投射到要成像的场景上。

操作像素结构的方法包括：通过将第一开关和第二开关二者都闭合到连接状态来使电容器放电；在第二开关在连接状态下闭合的同时，在光电探测器上采集第一信号，并且通过第一传输门上的电荷传输脉冲将第一信号传输到第一扩散区域；在第一开关在连接状态下闭合的同时，在光电探测器上采集第二信号，并且通过第二传输门上的电荷传输脉冲将第二信号传输到第二扩散区域；以及在采集信号之后，在第二扩散区域经由第二开关连接到第二参考电压的同时，从第一扩散区域读出像素信号。

在该方法的变型中，在像素信号的读出期间，第二传输门的电势高于第一传输门的电势。

使用该方法，第一信号和第二信号能够重复采集并累积在电容器上。

在该方法的另外的变型中，在第一传输门上的电荷传输脉冲、在第二传输门上的电荷传输脉冲、或电荷传输脉冲中的每个是多脉冲，使得相应的传输门在相同的电荷传输操作中被脉冲经过多次。

附图说明

以下是结合附图对像素结构的示例的详细描述。

图1示出了包括钉扎式光电二极管的示意性横截面的像素电路。

图2示出了根据图1的像素电路的电路图。

图3是像素结构的时序图。

图4是用于控制最大存储电荷量的根据图3的时序图。

图5是用于电压控制的根据图3的替代时序图。

图6是用于传输门的重复脉冲的根据图5的替代时序图。

图7是具有包括叉指式导电带的电容器的布局示例。

图8是具有平板电容器的布局示例。

图9是在相同侧具有平板电容器和两个传输门的布局示例。

具体实施方式

图1示出了像素结构的示例。像素结构的电路包括能够用于像素结构的半导体光电探测器装置的示意性横截面。在半导体材料S中，特别是在例如可以包括硅的半导体衬底中，集成了例如可以是钉扎式光电二极管的光电探测器PD。光电探测器PD能够经由第一传输门TX1与半导体材料S中的第一扩散区域FD1连接，并且能够经由第二传输门TX2与半导体材料S中的第二扩散区域FD2连接。

扩散区域FD1、FD2可以设置在光电探测器PD的相对侧上，并且可以分别设置有第一接触区域CR1和第二接触区域CR2。接触区域CR1、CR2可以具有更高的掺杂浓度，以使得能够形成用于外部电连接的欧姆接触。

通常，衬底可以由具有外延层(例如p-、5×10¹⁴cm^-3)的块状硅晶片(例如，掺杂的p++)组成。固定的光电二极管可以包括p++浅表面注入物和更深的n型注入物。第一接触区域CR1和第二接触区域CR2可以是高掺杂的(例如5×10¹⁹cm^-3)n型注入物。它们可以被较低掺杂的n型注入物所包围，并且可以位于或可以不位于p阱区域(其通常可以掺杂约1×10¹⁷cm^-3的掺杂浓度)。

扩散区域FD1、FD2经由电容器C彼此电连接，例如，该电容器通常可以具有大约15fF的电容。第一扩散区域FD1也经由第一开关RST1连接至第一基准电压V_ref1，并且第二扩散区域FD2也经由第二开关RST2连接至第二基准电压V_ref2。例如第一开关和第二开关RST1、RST2能够是场效应晶体管。第一基准电压V_ref1和第二基准电压V_ref2可以相等或不同。

第一扩散区域FD1还连接到缓冲放大器。这可以是如图1所示的源极跟随器SF。例如，在这种情况下，第一扩散区FD1可以特别连接至另外的场效应晶体管的栅极。源极跟随器SF将电源电压V_DD与选择晶体管SEL的源极/漏极端子连接。选择晶体管SEL的另一个源极/漏极端子与用于读出的列总线连接。电源电压V_DD可以特别用作第一基准电压V_ref1和第二基准电压V_ref2。源极跟随器SF和选择晶体管SEL也可以集成在半导体材料S中。作为源极跟随器的替代，可以使用结型FET，或者可以使用差分放大器配置。

图2示出了根据图1的像素电路的完整电路图。第一扩散区域FD1的节点具有第一寄生电容Cfd1，并且第二扩散区域FD2的节点具有第二寄生电容Cfd2。如果寄生电容Cfd1、Cfd2相等且尽可能小，则是有利的。电容器C的电容比第一寄生电容和第二寄生电容Cfd1、Cfd2大得多。第一寄生电容和第二寄生电容Cfd1和Cfd2的典型值可以是1fF至4fF。可以使用技术来减小寄生电容。这些寄生电容Cfd1和Cfd2中的每个由扩散区域的结电容、传输门的栅极-漏极重叠电容、缓冲放大器的输入电容和复位晶体管的栅极-漏极重叠电容组成。可以通过专用的注入方案来减小重叠电容，例如，通过改变位于栅极间隔区域下临近栅极的轻度掺杂漏极区域(LDD)的掺杂剂浓度。结电容和结侧壁电容尤其能够通过降低n+扩散区域下的p阱的掺杂或通过在较高掺杂的n++欧姆接触区域周围使用中度掺杂的n型扩散来改变。后者如图1所示。缓冲放大器的电容能够通过输入晶体管拓扑来减小。例如能够使用具有较低输入电容的埋入式沟道源极跟随器或JFET。两种装置都具有额外的好处，即它们具有较低的1/f和随机电报信号噪声，这也有利于降低像素的读取噪声。

在第二扩散区域FD2经由第二开关RST2保持在第二基准电压V_ref2的同时，电荷在第一扩散区域FD1上连续地为连续帧转储，而在第一扩散区域FD1经由第一开关RST1保持在第一基准电压V_ref1的同时，电荷在第二扩散区域FD2上连续地为连续帧转储。选择基准电压V_ref1和V_ref2，使得节点FD1和FD2上的信号摆动能够最大化。

可以使用第一扩散区域FD1集成具有主动照明的图像(例如，当投射结构光图案时)，而可以使用第二扩散区域FD2集成背景参考图像。在这种情况下，在第一扩散区域FD1处的信号将比在第二扩散区域FD2处的信号下降更快。在多次采集照明和背景参考图像之后，根据后面描述的时序图，其中照明图像始终传输到FD1，并且背景基准电压始终传输到FD2，FD1上的电压将下降到V_ref1以下并且FD2上的电压将上升到V_ref2以上。因此，对于V_ref2使用低电压并且对于V_ref1使用高电压是有益的。应确保在相应的传输门TX1或TX2打开时，FD1和FD2上的电压电平始终高于钉扎式光电二极管的耗尽电压。这是保证从光电二极管到节点FD1和FD2的所有载流子的电荷传输所必需的。

图3示出了这个像素结构的时序图。像素结构的工作与结构光投影仪的工作同步执行，用于在全局快门模式下的多个图像采集。在结构光条件下拍摄第一图像。来自这张图像曝光的光载流子集成在像素的光电二极管上。然后，在第一开关RST1处于其断开状态并且第二开关RST2处于其连接状态的情况下，通过经由第一传输门TX1的电荷传输来读出光电二极管，使得信号传输至第一扩散区域FD1。因此，当第一开关RST1处于其断开状态时，第一扩散区域FD1是浮置的。当相应的传输门工作时，扩散区域必须是浮置的。在没有结构光的情况下拍摄另外的图像。光载流子再次集成在光电二极管上。然后，在第一开关RST1处于其连接状态并且第二开关RST2处于其断开状态的情况下，通过经由第二传输门TX2的电荷传输来读出光电二极管，使得信号被传输至第二扩散区域FD2。

第一开关和第二开关RST1、RST2交替工作，以去除与对背景光相对应的共模信号。为了防止电容器C放电，仅当第二开关RST2处于其断开状态时，第一开关RST1处于其连接状态，反之亦然。为了避免这种放电，驱动电路应确保RST1信号和RST2信号是非重叠的。为了使电容器C复位，仅在图像采集过程的开始时，两个开关同时打开。

在曝光的时间段之后，使用源极跟随器SF和选择晶体管SEL从第一扩散区域FD1读出差分图像。为了这个目的，第一开关RST1处于其断开状态，并且第二开关RST2处于其连接状态，使得第二扩散区域FD2至少近似处于第二基准电压V_ref2上，并且第一扩散区域FD1提供所存储的信号。在第二传输门TX2处的电压高于在第一传输门TX1处的电压，并且第二传输门TX2在读出期间用作抗光晕漏极。当光电探测器PD饱和时，通过第二传输门TX2和第二开关RST2去除多余的电荷。替代地，第二传输门TX2在读出期间可以处于高状态。

通过不对传输门TX2和第二开关RST2进行定时，像素也能够作为标准滚动快门像素来工作。

图4示出了另外的时序图。根据这个图的时序允许控制要存储在光电二极管上的最大电荷量。这避免从光电探测器溢出到各个扩散区域。这在光照明亮的情况下能够尤其有用。如果使用这个时序图，则传输门控制线将需要三个不同的电压电平：高电压，以实现电荷传输；低电压，以在光电二极管饱和(在强光条件下)的情况下禁止载流子溢出；以及中等电压电平，以确保饱和时的载流子的溢出流过传输门。溢出应该发生在相应的RST开关处于其连接阶段的扩散区域，使得这个扩散区域连接到其相应的V_ref电压。图4示出了这种时序的特定实例，但是仍然根据所描述的工作能够考虑进行轻微的修改。

图5示出了另外的时序图。这个时序通过延迟第一开关RST1的上升沿来避免在第二扩散区域FD2处的过高的电压。否则，过高的电压可能会导致通过第二开关RST2的泄漏。时序取决于部件的不同尺寸，包括光电二极管PD的全阱容量、电容器C的电容以及寄生电容Cfd1和Cfd2。

在当第一开关RST1处于其断开状态并且第二开关RST2处于其连接状态的时间段内，第一传输门TX1可以被脉冲经过多次，因此，对应于第一开关RST1的信号是低的。并且类似地，在当第一开关RST1处于其连接状态并且第二开关RST2处于其断开状态的时间段内，第二传输门TX2可以被脉冲经过多次，因此，对应于RST2的信号是低的。这种多次脉冲允许将更多的载流子从光电二极管传输到集成电容器C。使用多次传输能够减少由在第一扩散区域FD1和第二扩散区域FD2形成的节点处的寄生电容导致的衰减。相应的时序图如图6所示。

图7和图8示出了所提出的像素结构的布局示例，特别是对于背面照明图像传感器技术。

图7示出了能够以CMOS技术生产的具有由叉指式导电带形成的电容器的示例。为了进行背面照明，可以将该电容器设置在光电探测器PD的顶部，使得入射光不会被导电带屏蔽。可选的反射器R能够设置在在线路(BEOL)的后端制造的层的底部。

图8示出了具有平板电容器的示例，该平板电容器包括金属板、介电层和另一金属板的序列，特别是本身已知的金属-绝缘体-金属(MiM)电容器。在图8所示的示例中，为了使底板的寄生电容对于第一扩散区域FD1和第二扩散区域FD2的节点相同，电容器C由以反并联方式连接的两个单独的电容器形成。

取决于像素结构的个别应用，其他类型的电容器也可以是合适的。示例是在半导体技术中本身已知的沟槽电容器和多晶硅-绝缘体-多晶硅电容器。

图9示出了根据图8的结构，不同之处在于传输门TX1、TX2位于光电探测器PD的同一侧。这种布置对于更对称的像素布局可以是有利的。

此外，可以连接单独的抗光晕门或光电二极管复位门。也可以通过垂直抗光晕结构从钉扎式光电二极管疏散电荷和使电荷溢出。在那种情况下，能够通过在光电二极管下方的衬底上的电压脉冲来复位光电二极管。

像素也能够包括位于像素源跟随器后面的采样级，例如，特别如US 8 569 671 B2中所述。这能够实现各种新的读出模式。例如，它允许在读出期间曝光下一个图像。它也能够用于采样初始复位电平并降低像素的kTC噪声。

像素结构的二维阵列特别适合于图像传感器装置。包括这样的图像传感器装置的成像系统还可以包括与该图像传感器装置同步的光源。光源L在图7和8中示意性示出。当信号在第一浮动扩散FD1上采集时，光源能够配置为激活的，并且当信号在第二浮动扩散FD2上采集时，光源能够配置为不激活的，反之亦然。光源能够用于投射图案或图案序列。

在所描述的像素结构的典型应用中，通过检测并减去两个帧来重复获得差分信号，所述两个帧例如可以是照明帧和暗帧。差分信号累加地存储。因此，信噪比随电荷积累而增加。这使得能够实现具有改善的背景光耐受性的结构光系统或立体视觉。累积的光电荷量为

其中q_1,k和q_2,k是在例如可以是照明帧的1号帧和可以是暗帧的2号帧的第k个曝光时间间隔中所累积的电荷。相应的时间间隔的持续时间能够不同。

在像素结构的实施例中，通过在像素中使用一个以上的电容器，能够减去两个以上的不同帧(例如，对于m个不同的图像的采集)。帧q_i,k,i＝1、2、3、...、m中的每个，能够具有不同于其他帧的曝光时间的曝光时间。这种像素允许在像素中进行电荷算法和逐帧计算。

有利的是，减法运算能够在图像采集阶段期间在像素内部执行。同样有利的是，在相减之后，连续的采集能够在像素中累积。这提高了能够在像素中累积的饱和度。所描述的像素结构允许紧凑的实现，因为它在像素中仅需要一个光电探测器、一个电容器、两个传输门、两个复位开关以及源极跟随器和选择晶体管(总共6个晶体管)。它与背面照明兼容。不同的时序允许存储具有大量全阱电荷的简单非减影图像。

所描述的图像传感器也能够用于跟踪对象的相机系统中。这个对象被闪光照明或包含闪光光源，该光源与在FD1或FD2上收集的图像同步。

所描述的图像传感器还可以用于投射两个结构光图案的系统中，并且第一结构光图案集成在FD1上而第二结构光图案集成在FD2上。这能够进一步增强能够从投影图案中提取的信息。这样的信息可以包括深度信息。这个深度信息可以根据三角测量原理来计算。

类似地，该系统可以在两个不同波长下的两个光源下工作。例如对于人眼跟踪应用，众所周知，眼睛反射某些波长并吸收其他波长，导致差分图像中的高对比度，这是这两个图像之间的差异。所提出的图像传感器像素允许产生这样的轮廓。

附图标记说明

C 电容器

Cfd1 第一寄生电容

Cfd2 第二寄生电容

CR1 第一接触区域

CR2 第二接触区域

FD1 第一扩散区域

FD2 第二扩散区域

L 光源

PD 光电探测器

R 反射器

RST1 第一开关

RST2 第二开关

S 衬底

SEL 选择晶体管

SF 源极跟随器

TX1 第一传输门

TX2 第二传输门

V_DD 电源电压

V_ref1 第一基准电压

V_ref2 第二基准电压

Claims (13)

1.一种用于半导体成像装置的像素结构，包括：

光电探测器(PD)，其位于半导体材料(S)中，

第一传输门(TX1)，其位于所述半导体材料中的所述光电探测器(PD)与第一扩散区域(FD1)之间，

第二传输门(TX2)，其位于所述半导体材料中的所述光电探测器(PD)与第二扩散区域(FD2)之间，

电容器(C)，其连接在所述第一扩散区域(FD1)与所述第二扩散区域(FD2)之间，

第一开关(RST1)，其连接在所述第一扩散区域(FD1)与第一基准电压(V_ref1)之间，以及

第二开关(RST2)，其连接在所述第二扩散区域(FD2)与第二基准电压(V_ref2)之间；

其中，所述第一基准电压(V_ref1)是高电压，所述第二基准电压(V_ref2)是低电压。

2.根据权利要求1所述的像素结构，其中，

所述光电探测器(PD)是在包括所述半导体材料(S)的衬底中的钉扎式光电二极管。

3.根据权利要求1所述的像素结构，还包括：

缓冲放大器，其连接到所述第一扩散区域(FD1)和所述第二扩散区域(FD2)。

4.根据权利要求1所述的像素结构，其中，所述第一基准电压(V_ref1)或所述第二基准电压(V_ref2)连接到电源电压(V_DD)。

5.根据权利要求1所述的像素结构，还包括：

选择晶体管(SEL)，其连接到列总线。

6.根据权利要求5所述的像素结构，还包括：

源极跟随器(SF)，其由场效应晶体管形成，所述源极跟随器连接到所述选择晶体管(SEL)，其中，所述源极跟随器(SF)的栅极连接到所述第一扩散区域(FD1)。

7.一种图像传感器装置，其包括根据权利要求1所述的像素结构的二维阵列。

8.一种成像系统，其包括根据权利要求7所述的图像传感器装置，所述成像系统还包括：

光源(L)，其与所述图像传感器装置同步，其中，当在第一扩散区域(FD1)上采集信号时，所述光源(L)配置为激活，并且当在第二扩散区域(FD2)上采集信号时，所述光源(L)配置为非激活，反之亦然。

9.根据权利要求8所述的成像系统，其中，

所述光源(L)配置为将图案或图案序列投射到要成像的场景上。

10.一种操作根据权利要求1所述的像素结构的方法，包括：

通过将第一开关(RST1)和第二开关(RST2)二者都闭合到连接状态来使所述电容器(C)放电，

在所述第二开关(RST2)在连接状态下闭合的同时，在光电探测器(PD)上采集第一信号，并且通过第一传输门(TX1)上的电荷传输脉冲将第一信号传输到第一扩散区域(FD1)，

在所述第一开关(RST1)在连接状态下闭合的同时，在所述光电探测器(PD)上采集第二信号，并且通过第二传输门(TX2)上的电荷传输脉冲将第二信号传输到第二扩散区域(FD2)，以及

在采集这些信号之后，在所述第二扩散区域(FD2)经由所述第二开关(RST2)连接到第二基准电压(V_ref2)的同时，从所述第一扩散区域(FD1)读出像素信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，

在所述像素信号的读出期间，所述第二传输门(TX2)的电势高于所述第一传输门(TX1)的电势。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，

所述第一信号和所述第二信号重复采集并累积在电容器(C)上。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，

所述第一传输门(TX1)上的电荷传输脉冲和所述第二传输门(TX2)上的电荷传输脉冲中的至少一个是多脉冲。

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