CN112868101A - 像素单元和像素单元的操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种像素单元(10)包括具有多个像素(11‑14)的像素集，其中像素集(11‑14)的每个像素配置为捕获入射在相应像素上的光信息，并生成表示该光信息的电信息。像素单元(10)还包括读出电路，该读出电路配置为管理来自像素集(11‑14)的每个像素的电信息的收集和输出，并且在全局快门操作模式和卷帘快门操作模式下操作像素集(11‑14)。在全局快门模式下，来自每个像素(11‑14)的电信息被组合以用于生成全局快门输出信号，而在卷帘快门模式下，来自每个像素(11‑14)的电信息用于生成单独的卷帘快门输出信号。

Description

像素单元和像素单元的操作方法
本公开涉及一种在半导体图像传感器中使用的像素单元，并且涉及一种用于在全局快门操作模式下和在卷帘快门操作模式下操作这种像素单元的方法。
CMOS图像传感器用于广泛应用中，诸如用于相机模块和智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。在许多此类应用中，对于高分辨率可见光波段成像，图像传感器在所谓的卷帘快门操作模式下操作。在这种模式下，依次读出像素矩阵的像素并将其逐行复位，使得读出过程在重复的卷帘模式下发生。如图6所示，对于像素阵列的每一行，曝光周期在时间上偏移。
然而，其他应用需要在同一时间周期期间发生对图像传感器所有像素的捕获并因此发生对像素单元的捕获的全局快门操作模式。这种应用的示例是具有有源照明的红外成像过程，例如三维成像和识别(诸如虹膜扫描和人脸识别)。为了减少功率消耗，而且为了在照明期间不超过例如相对于眼睛安全的临界光水平，需要短的光脉冲。在全局快门模式下，所有像素必须曝光，并因此在照明光脉冲期间整合光生载流子，如图7所示。由于对两种操作模式的要求不同，到目前为止，典型的系统都采用了用于可见光波段成像和红外成像的专用相机模块。然而，在现代电子设备中，越来越多的空间限制和成本节约使得需要能够具有卷帘快门操作模式和全局快门操作模式的单独的图像传感器。
替代方法的特征是具有专用彩色像素和红外像素的图像传感器。然而，这些传感器的缺点是，在可见光域和红外域中捕获的图像需要插值，以获取由于相应波段的“盲”像素而丢失的信息。另外，由于较高的衍射极限，用于红外的专用像素需要比用于可见光波段的专用像素更大的表面，使得难以在不牺牲分辨率的情况下实现组合布置。
因此，要实现的目的是提供一种用于像素单元的改进构思，其能够实现卷帘快门操作以及全局快门操作，并克服现有像素单元的问题中的至少一个。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。本改进构思的实施例和改进方案在从属权利要求中限定。
本改进构思基于为图像传感器提供像素单元的思想，其中像素单元的单个像素根据卷帘快门过程来单独地读出(其中保持了每个像素的信息)，或者根据全局快门过程来同时地读出(其中组合了读出期间的像素的信息)。
特别地，根据本改进构思的像素单元的实施例包括具有多个像素的像素集，其中该像素集的每个像素都包括光电二极管以及耦合到该光电二极管的传输门。像素单元还包括读出电路，该读出电路具有耦合到所有传输门的浮置扩散部、列输出线、耦合到该浮置扩散部的采样保持级、将采样保持级耦合到列输出线的第一开关以及将浮置扩散部耦合到列输出线或另外的列输出线的第二开关。
根据本改进构思的像素单元的每个像素配置为捕获入射在相应像素上的光信息，并且生成表示该光信息的电信息。尤其是对于根据标准CMOS技术制造的图像传感器而言，像素的工作原理是使用光电二极管来将光强度转换为光电流。硅基光电二极管是此连接中的常见选择，因为这些二极管在190nm至1100nm的宽波长范围内敏感，并因此覆盖了可见光域和红外域中的电磁波谱的相关部分。另外，由于硅的大带隙，与其他光电二极管(锗基光电二极管)相比，硅基光电二极管示出了优异的噪声性能。
根据本改进构思的像素单元的读出电路配置为管理来自像素集的每个像素的电信息的收集和输出，并且经由到采样保持级的第一开关并经由直接到像素单元的列输出线的第二开关来在两种不同操作模式下操作像素集。例如，该两种操作模式是全局快门模式和卷帘快门模式。
在至少一个实施例中，读出电路配置为在全局快门操作模式下控制多个像素，使得由多个像素中的每个像素的光电二极管响应于入射辐射而生成的对应电荷根据同时传送到传输门的传输控制信号被同时传输到浮置扩散部。此外，读出电路配置为根据来自多个像素中的每个像素的光电二极管的对应电荷，特别是根据来自多个像素中的每个像素的光电二极管的所述对应电荷的总和或平均值来生成全局快门输出信号，并根据传送到第一开关的全局快门控制信号来将该全局快门输出信号传输到列输出线。
在这种实施例中，读出电路还配置为在卷帘快门操作模式下控制多个像素，使得由多个像素中的每个像素的光电二极管响应于入射辐射而生成的对应电荷根据依次传送到传输门的传输控制信号被依次传输到浮置扩散部。此外，读出电路配置为生成单独的卷帘快门输出信号，其中每个卷帘快门输出信号都取决于来自多个像素之一的光电二极管的对应电荷，并配置为根据传送到第二开关的卷帘快门控制信号来将单独的卷帘快门输出信号传输到该列输出线或另外的列输出线。
在全局快门模式下，来自每个像素的电信息被组合以生成全局快门输出信号，而在卷帘快门模式下，来自每个像素的电信息用于生成单独的卷帘快门输出信号。
特别地，在根据本改进构思的像素单元中不需要插值，这是因为在这两种操作模式下来自所有像素的信号都被评估。
在一些实施例中，在全局快门模式下操作、特别是专门操作像素单元，用于由多个像素中的每个像素的光电二极管基于第一波长范围、特别是包括940nm的近红外范围中的入射辐射而生成的电荷，并且在卷帘快门模式下操作，特别是仅操作像素单元，用于由多个像素中的每个像素的光电二极管基于第二波长范围，特别是可见光范围中的入射辐射而生成的电荷。
例如，在这种像素单元中，可以采用卷帘快门操作模式以用于可见光域成像。图像传感器的每个像素单元的单独的卷帘快门输出信号的图像处理使得能够重建高分辨率图像，例如照片。
另一方面，可以采用全局快门模式以用于需要短曝光时间和/或快速图像处理的情形，例如在具有待捕获的一个或多个物体的短而高强度照明的3D成像中，特别是在近红外域中。尽管由于组合了像素单元的所有像素使得这种全局快门操作模式牺牲了分辨率，但对于广泛的应用而言这是可以接受的。例如，对于面部识别而言，高分辨率3D图像可能不是必需的，因为减小的深度分辨率仍然足以实现对用户的独特特征的识别。
在全局快门模式下对来自像素单元的单独像素的信号进行组合的另一方面在于，像素的单独信号可能太小而无法处理。例如，特别是在红外域中，与可见光域相比，单个像素的小信号可能是整体光强度较低的结果。此外，像素本身在红外域中可能不太敏感。同样，现代图像传感器中的小像素尺寸使得衍射极限成为重要因素，尤其是对于更大波长的红外光而言。
另一方面，对于可见光而言通常采用卷帘快门模式，因为光强度趋于足够高，使得每个像素信号足够大。同样，现代图像传感器的像素尺寸通常无法达到可见光波长的衍射极限。
在一些实施例中，至少多个像素和浮置扩散部布置在第一管芯上，并且至少列输出线、采样保持级和第一开关布置在第二管芯上。
将读出电路的至少一些部件布置在第二管芯上，例如使用标准晶片键合技术键合到第一管芯的管芯，使得能够密集地布置像素单元的像素而不牺牲像素或像素单元之间的读出电子器件的空间。特别地，第一管芯可以经由第一管芯的表面上的接触垫来提供到像素的电连接，所述表面背离像素单元的光入射表面。在键合期间，这些接触垫对准并因此电连接到另外的接触垫，该另外的接触垫布置在包括读出电子器件的第二管芯的表面上。
在一些实施例中，为了捕获光信息，对像素进行背面照明。
为了有效地捕获光子，像素单元的像素应该设计为使得其中像素的光捕获区域(例如光电二极管的p-n结)不会被任何其他部件遮挡。为了防止电连接在入射光进入光捕获区域之前对该入射光形成障碍，在根据标准CMOS技术的制造期间的一种方法是在晶片衬底的顶侧上形成光捕获区域，然后在其上形成包含电连接的层。在后续步骤中，晶片衬底例如借助于研磨步骤在其背侧上薄化，使得入射光通过靠近光捕获区域的背面来到达薄化的衬底。背面照明像素的典型衬底厚度约为3至10μm。已经证明，所描述的背面照明技术将可见光的输入光子被捕获的概率从大约60％提高到90％以上。
在一些实施例中，采样保持级包括第一存储级和第二存储级，其中第一存储级和第二存储级串联或并联布置，并且分别包括开关和电容器。
提供具有多个存储级的采样保持级允许在像素单元的读出过程期间存储不同的信号。例如，浮置扩散部的复位电平在曝光之前或曝光期间存储在第一存储级的电容器中，并且信号电平在曝光且电荷从光电二极管传输到浮置扩散部之后存储在第二存储级中。存储两个信号使得能够进行进一步的信号处理，以例如经由从信号电平中减去复位电平来实现更大的信噪比。
如US 8,754,357B2中所公开的，例如，如果存储电容器在其电容方面受到限制，则考虑到所需要的部件较少并且对浮置扩散部处的寄生电容的敏感性降低，将第一采样级和第二采样级串联(即级联)布置可以比并联布置有利。
在一些实施例中，像素单元还包括另外的列输出线，其中另外的列输出线配置为卷帘快门列输出线，并且列线配置为全局快门列输出线。
对于能够在两种不同模式(诸如全局快门模式和卷帘快门模式)下操作的像素单元而言，可能需要根据操作模式来将所生成的输出信号引导至专用处理单元。为此，像素单元可以包括另外的列输出线，其中这两个列输出线将像素单元连接到两个处理单元之一，所述两个处理单元配置为分别处理全局快门输出信号和卷帘快门输出信号。
在一些实施例中，像素集中的每个像素对红外光、特别是对包括940nm的波长的近红外光敏感，并且对可见光谱的至少一部分敏感。
例如，其中像素对可见光和红外光都敏感的图像传感器提供在可见光域中捕获图像(即照片)和在红外域中捕获图像的能力，其中这种成像用于执行三维信息捕获的目的，例如用于面部识别应用。因此，这种图像传感器消除了为上述目的而提供两个专用图像传感器的必要性。
在一些实施例中，像素集的像素通过沟槽、特别是通过填充有与像素的材料相比折射率较小的沟槽材料的沟槽分隔。此外，在这些实施例中，像素集的每个像素还包括光衍射结构LDS。
为了增强特别是在红外域中的每个像素的敏感度，像素可以通过沟槽彼此分隔，这些沟槽理想地从像素的顶部表面(即光进入表面)延伸到像素的衬底。然后，这些深沟槽能够使得以大于临界角入射的光发生全内反射，并因此用于将光限制在像素材料内，从而将光有效地引导到相应像素的光捕获区域。
通过在进入相应像素的入口表面处提供光衍射结构来实现特别是近红外域中的进一步敏感度增强，而不会显著地(如果有的话)影响其他波长范围。结合由于沟槽在像素侧壁处的全内反射，这些结构的目的是散射入射光，然后增加像素内的有效光路，并因此增加吸收效率。
在一些实施例中，像素单元还包括滤光器的彩色滤光器布置，其中每个滤光器用作用于不同波长范围，特别是红光、绿光或蓝光的波长范围的带通滤光器，使得像素集中的像素中的每个或大多数像素包括不同的彩色滤光器。此外，在这些实施例中，滤光器用作用于另外的波长范围、特别是红外光的另外的波长范围、特别是包括940nm的另外的波长范围的带通滤光器。
为像素集的像素提供有不同的滤光器允许捕获不同波长域中的光信息。对于可见光域成像，一个常见示例是采用红色、绿色和蓝色(RGB)滤光器。例如，使得专用于每个颜色的像素集中的至少一个像素结合顺序读出(即卷帘快门操作模式)允许基于RGB滤光器的示例的红色、绿色和蓝色通道的光信息来重建所捕获的图像。
当前图像传感器中的典型滤光器布置是所谓的拜耳彩色滤光器布置CFA。在这种图像传感器中，像素单元的两个像素配备有绿色滤光器，而第三像素具有红色滤光器、并且第四像素具有蓝色滤光器。由于人眼在可见光范围内具有不均匀的灵敏度并对绿光最敏感，因此捕获除了红色和蓝色通道之外的两个绿色通道使得能够提高重建图像的对比度和清晰度。
对于全局快门操作模式，如果像素集的所有像素在入射光的波长处同样灵敏，则这是有利的。例如，如果全局快门模式用于捕获来自入射红外光的信息，则要求彩色滤光器对该相应波长范围是透射的。例如在RGB滤光器的情况下，由于典型的红外光源发射包括940nm的另外的波长或其附近的光，因此单独的滤光器还可以配置为也在该波长范围处透射。
常规RGB彩色滤光器通常在大于800nm的光波长处是透射的，并对于蓝色、绿色和红色滤光器具有可比较的透射水平。为了使像素仅易受红外域的相关部分的影响，在所描述的实施例中采用的滤光器除了其在可见光域中的透射窗之外，还可以配置为用作所关注的红外波长范围附近的带通滤光器，例如约940nm的带通，其下截止波长为930nm且上截止波长为950nm。
在一些实施例中，像素集包括三个像素或四个像素，特别是以2×2矩阵布置的四个像素。
对于可见光域成像而言，包括三个或四个像素的像素单元是使用三个或四个色彩通道来有效重建图像的标准选择。在组合了像素单元的所有像素的全局快门模式下，根据像素数来将分辨率降低三倍或四倍证明对于许多应用是足够的，诸如3D图像捕获应用。
以2×2矩阵的布置允许以最小空间要求来进行有效的配置。
在一些实施例中，多个像素中的每个像素在尺寸上相等，并且具有小于2μm×2μm的占用面积，特别是等于或小于1.4μm×1.4μm的占用面积。
为了支持高分辨率成像，要求像素单元的尺寸并因此要求像素的尺寸尽可能小。由于现代制造技术，用于可见光域成像的像素的尺寸已减小到边长约为1.4μm或更小的正方形格式。例如，像素尺寸低至0.9μm的图像传感器可商用。然而，由于较低的衍射极限，因此对红外光敏感的像素需要边长至少为2μm的更大的像素尺寸，以便在例如940nm处保持高效率。然而，根据本改进构思的像素单元允许多个小像素一起形成足够大的表面以仍然有效地检测红外光。
在一些实施例中，像素单元的感测节点的电容是可调的、特别是借助于开关是可调的。
借助于可调电容来扩展像素单元的感测节点使得能够调节像素单元的转换增益。根据操作模式，感测节点处可能存在不同的电荷或电压。在同时读出所有像素的全局快门操作模式下，与依次读出像素的卷帘快门操作模式相比，感测节点处的总电荷可能是其四倍大。因此，需要可调的转换增益，以便在两种操作模式下提供相似的信号电平。另外，例如在由于低光水平而导致来自像素的信号较小的情况下，可调的转换增益对全局快门模式而言也可能是有益的。
例如，可调电容可以通过经由开关连接到感测节点的电容器来实现。
在一些实施例中，读出电路包括控制单元，该控制单元配置为控制电信息的收集。特别地，在全局快门模式下，控制单元从像素集的每个像素获取电信息，生成全局快门输出信号作为来自每个像素的电信息的组合，特别是作为该电信息的总和或平均值，并将该全局快门输出信号提供给评估单元。在卷帘快门模式下，控制单元从像素集的每个像素获取电信息，并将来自每个像素的电信息作为单独的卷帘快门输出信号提供给评估单元。
该目的还通过包括多个根据前述实施例之一的像素单元的图像传感器来解决，特别是通过CMOS图像传感器来解决。
具有根据本改进构思的像素单元的图像传感器使得能够根据入射光的波长范围和/或强度来进行灵活的捕获过程。
在一些实施例中，图像传感器配置为对物体或场景进行成像并与光源相组合来操作，其中该光源对该物体或该场景进行照明，或者是将图案投影到该物体或该场景上。
或者由于低光水平、特别是对于红外域成像的低光水平，需要例如借助于闪光的有源照明。该闪光可以在曝光周期开始时或在曝光周期之内发生。
例如，图像传感器可以是成像系统的部件，该成像系统还包括配置为与图像传感器组合操作的光源，诸如闪光。在这种成像系统中，根据操作模式，可以与图像传感器相组合来操作专用光源。
在一些实施例中，图像传感器配置为在全局快门操作模式下操作，以用于物体或场景的三维成像。
例如，卷帘快门操作模式可以用于在可见光域中成像，即捕获光，并因此与光源相组合来操作以对物体或场景进行照明。另一方面，可以指定全局快门模式以在红外域中成像，其中采用红外光源来对物体或场景进行照明或者将图案投影到其上。
可以借助于诸如发光二极管LED或垂直腔表面发射激光器VCSEL的光源来提供有源照明。该照明可以配置为将图案(例如，光斑的网格)投影到待捕获的物体或场景上，尤其是用于3D成像应用。
该目的还通过具有成像系统(诸如相机系统)的电子设备来解决，该成像系统包括图像传感器，该图像传感器具有根据前述实施例之一的像素单元。
常规的电子设备采用两个分隔的相机模块来进行可见光成像(诸如移动设备中的前置相机)，以及用于识别目的的红外成像(诸如面部或虹膜识别)。然而，使用具有根据本改进构思的图像传感器的单相机模块，使得用于在可见光域成像的图像传感器也能够在红外域成像。因此，消除了专用于红外成像的附加相机模块的必要性，并能够节省空间。这对于对另外的部件有严重空间限制的小型电子设备特别重要。突出的示例是智能手机、平板计算机、便携式计算机等，但更大的设备(诸如个人计算机和/或其显示器)也可以从更少量的部件中受益。单部件的使用还解决了两个照相机之间对准校准的需求。
该目的还通过一种用于操作像素单元的方法来解决，该像素单元包括具有多个像素的像素集，其中像素集的每个像素都配置为捕获入射到相应像素上的光信息并生成表示该光信息的电信息。根据本改进构思的方法包括收集并输出来自像素集的每个像素的电信息，并且在全局快门操作模式和卷帘快门操作模式下操作像素集。在全局快门操作模式下，将来自像素集的每个像素的电信息特别组合为总和或平均值，以用于生成全局快门输出信号。在卷帘快门操作模式下，来自像素集的每个像素的电信息用于生成单独的卷帘快门输出信号。
根据上述像素单元的实施例，该方法的另外的实施例对技术人员而言是显而易见的。
对示例性实施例的附图的以下描述可以进一步示出和解释本改进构思的各方面。具有同一结构和同一效果的像素单元的部件和零件分别以同一附图标记显示。考虑到像素单元的部件和零件在不同附图中的功能彼此对应，对于以下附图中的每个附图不再重复其描述。
图1示意性地示出了根据本改进构思的像素单元的实施例；
图2示意性地示出了根据本改进构思的像素单元的另外的实施例；
图3示意性地示出了根据本改进构思的像素单元的另外的实施例；
图4示出了根据本改进构思的像素单元的实施例的物理结构的另外的细节；
图5示出了根据使用红、绿、蓝彩色滤光器的像素单元的实施例的在像素上使用的示例性滤光器的透射特性；
图6示出了在卷帘快门操作模式下像素阵列的示例性时序图；以及
图7示出了在全局快门操作模式下像素阵列的示例性时序图。
将针对特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明目的，元件中的一些的尺寸可能放大并且未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”的情况下，其不排除其他元件或步骤。此外，在说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于区分相似的元件，而不必用于描述顺序或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述的本发明的实施例能够以本文所述或所示的顺序以外的顺序来操作。
图1示出了根据所提出的构思的像素单元10的实施例。该方案基于在US8,754,357B2中公开的实施例，该实施例的特征是像素阵列和用于该像素阵列的全局快门操作模式。特别地，图1示出了像素单元10，该像素单元包括在顶部管芯上的像素集，该像素集具有通常以行和列布置的多个像素11-14，例如在四个光电二极管PD1-PD4的情况下以2×2配置来布置。像素11-14中的每个像素包括光电二极管PD1-PD4，所述光电二极管响应于通常是在可见光波段和/或红外波段中的光的电磁辐射。光电二极管PD1-Pd4可以例如是固定的光电二极管。
传输门TX1-TX4将每个光电二极管PD1-PD4的阴极连接到由浮置扩散部FD来表示的公共感测节点，所述传输门也布置在顶部管芯上。浮置扩散部FD通常由传输门TX1-TX4和复位晶体管区域形成的结电容来定义。在一些实施例中，附加的专用浮置扩散电容器可以定位在感测节点处。传输门TX1-TX4响应于传输控制信号，并可以根据该传输控制信号来同时或单独地打开和/或关闭。当传输门TX1-TX4打开时，传输门能够将基本上所有的电荷从各个光电二极管PD1-PD4传输到浮置扩散部FD。复位晶体管开关RST响应于复位控制信号，并且可操作以将浮置扩散部FD初始化至预定电压。该初始化通常在电荷传输之前完成。
在顶部管芯上的第一源极跟随器SF1(也称为共漏放大器)将在第一源极跟随器SF1的输入处的浮置扩散部FD的电压缓冲到放大器的输出。预充电晶体管PC配置为负载晶体管，并用作第一源极跟随器SF1的电流源。该预充电晶体管可以布置在顶部管芯或底部管芯上。
对于全局快门操作模式，采用了在US 8,754,357B2的实施例中所公开的方案。特别地，两个级联采样级布置在底部管芯上，分别包括开关晶体管S1、S2和电容器C1、C2。该级联采样级经由顶部管芯和底部管芯上的对准的接触垫CP来连接到顶部管芯上的第一源极跟随器SF1的输出。在级联采样级的输出处，类似于第一源极跟随器SF1，连接有第二源极跟随器SF2并将其用作第二缓冲放大器。在第二源极跟随器SF2的输出处，连接有全局快门读出晶体管SELG并将其用作开关，当经由全局快门控制信号激活时，该开关将来自第二源极跟随器SF2的输出的缓冲电压连接到列输出线CO以用于进一步的信号处理。
在全局快门模式下，像素单元10如下操作：
1.在曝光时间开始时，光电二极管PD1-PD4为空并且不包含任何光电荷。
2.在曝光时间期间获取图像。入射到光电二极管PD1-PD4上的辐射生成光电荷，这些光电荷收集在光电二极管PD1-PD4内部。
3.(至少)在曝光时间结束时，通过利用复位控制信号对复位晶体管RST施加脉冲来复位浮置扩散部FD。除了在将电荷传输到浮置扩散部(步骤4)以及在对信号进行采样(步骤5)时，FD能够一直保持在复位状态。
4.通过对开关晶体管S1、S2施加脉冲，即将其暂时地关闭，来在电容器C2上对浮置扩散部FD的缓冲复位电平进行采样。
5.通过利用传输控制信号对传输门TX1-TX4施加脉冲，电荷通过传输门TX1-TX4来传输。在全局快门模式下，传输门TX1-TX4同时并以同一时序打开。来自光电二极管PD1-PD4的组合电荷Q根据浮置扩散部FD的电容CFD来在浮置扩散部FD上生成电压信号。特别地，该信号等于Q/CFD。
6.电压信号通过第一源极跟随器SF1来缓冲，并通过对开关晶体管S1施加脉冲来在电容器C1上进行采样。这使得曝光时间结束。
7.在电荷传输之后，光电二极管PD1-PD4耗尽。这些光电二极管不包含任何剩余电荷。可选地，能够生成额外的复位，以确保所有电荷都从光电二极管PD1-PD4中抽出。该复位通过一起对复位晶体管RST和传输门TX1-TX4施加脉冲来实现。
8.当传输门TX1-TX4再次打开时，下一曝光时间能够开始。这可以在此图像捕获序列之后立即发生或晚些发生。
9.通过读取存储在电容器C1、C2中的值、使用第二源极跟随器SF2来缓冲电压、并且通过全局快门读出晶体管SELG来将该电压输出到列输出线CO(例如借助于所施加的全局快门控制信号)来读出图像。处理单元PROC计算两个值之间的差，以消除浮置扩散部FD上的任何kTC噪声，并因此实现真正相关的双采样读出。在该读出期间，光电二极管PD1-PD4可以暴露于辐射以获取下一帧。
特别是在全局快门操作模式下，可以在对电压信号进行采样(步骤6)之前使用预充电晶体管PC来使电容器C1放电。替代地或附加地，可以在电容器C2上对复位电平进行采样之前使用预充电晶体管PC来使电容器C2放电。可以根据所期望的布局将预充电晶体管布置在顶部管芯上或底部管芯上。
如在步骤5中将像素集的所有像素11-14的电荷进行组合，所捕获的图像的分辨率降低了与像素集的像素11-14的数量相对应的倍数，例如降低了4倍。
在替代操作模式中，在步骤5中仅对部分数量的传输门施加脉冲，诸如来自一个或两个像素的传输门。这种操作模式可以允许在子采样图像中捕获特定色段的图像，例如仅来自包括绿光透射滤光器的像素的信号。
在卷帘快门操作模式中，卷帘快门读出晶体管SELR用作开关，以用于将所缓冲的电压从第一源极跟随器SF1的输出经由列输出线CO来传输到处理单元PROC，以用于进一步处理。
在卷帘快门模式下，像素集的像素11-14例如逐行地依次被曝光并读出。特别地，像素单元10的像素11如下操作：
1.在第一曝光时间开始时，光电二极管PD1为空并不包含任何光电荷。
2.在第一曝光时间期间获取图像。入射到光电二极管PD1上的辐射生成光电荷，这些光生电荷收集在光电二极管PD1内部。
3.(至少)在第一曝光时间结束时，通过利用复位控制信号对复位晶体管RST施加脉冲，来复位浮置扩散部FD。除了在将电荷传输到浮置扩散部(步骤4)以及在对信号进行采样(步骤5)时，浮置扩散部FD能够一直保持在复位状态。
4.通过对卷帘快门读出晶体管SELR施加脉冲，来将浮置扩散部FD的缓冲的复位电平输出到列输出线CO。
5.通过利用传输控制信号对传输门TX1施加脉冲，电荷通过传输门TX1来传输。来自光电二极管PD1的电荷Q根据浮置扩散部FD的电容CFD来在浮置扩散部FD上生成电压信号。特别地，该信号等于Q/CFD。
6.电压信号通过第一源极跟随器SF1来缓冲，并通过对卷帘快门读出晶体管SELR施加脉冲来输出到列输出线CO。这使得曝光时间结束。
7.在电荷传输之后，光电二极管PD1耗尽。该光电二极管不包含任何剩余电荷。可选地，能够生成额外的复位，以确保所有电荷都从光电二极管PD1中抽出。该复位通过一起对复位晶体管RST和传输门TX1施加脉冲来实现。
8.当传输门TX1再次打开时，该像素的下一曝光时间能够开始。这可以在此图像捕获序列之后立即发生或晚些发生。
9.对于光电二极管PD2、PD3和PD4，相应地重复该序列。
当依次地读出像素11-14时，在所描述的过程之后，像素集的剩余像素按照同一方案一一读出。例如，首先读出上述像素单元10的像素11，接着是其像素12，接着是其像素13，接着是其像素14。在卷帘快门模式下的像素11-14的曝光时间优选地在长度上相等，但不完全同时。通常，曝光时间重叠，其中该重叠取决于读出时间。
全局快门模式和卷帘快门模式可以用于电磁辐射的不同频带。例如，卷帘快门模式可以用于捕获可见光，并且全局快门模式可以用于捕获红外光、特别是近红外光。
像素11-14可以配置为用于诸如红、绿、蓝的不同可见光波段。在全局快门操作模式下读出的所有像素11-14的总和产生全色或单色图像。由于彩色滤光器R、G、B优选地对近红外光是透射的，并且光电二极管PD1-PD4对近红外光敏感，所以该总和信号通常将包括来自入射光的红外部分的信息。例如，在经由红外光源的有源照明的情况下，全局快门输出信号可以由入射光的所述红外部分来主导。此外，如果红外光包括图案，例如在结构化光3D图案信息中使用的图案，则可以以所描述的方式在全局快门模式下捕获所述图案。
图2示出了根据所提出的构思的像素单元10的另外的实施例。该实施例的工作原理对应于图1所示实施例的工作原理。
与图1所示的实施例相对比，在该实施例中，预充电晶体管PC布置在底部管芯上。在顶部管芯上布置尽可能少的部件节省空间，并因此能够实现像素单元10的像素11-14的更密集的布置。
在该实施例中，在卷帘快门模式和全局快门模式下，使用两个不同的列输出线。例如，在全局快门模式下，第一处理单元可以配置为处理由像素单元10经由全局快门列输出线GCO来输出的全局快门输出信号，而在卷帘快门模式下，单独的卷帘快门输出信号可以借助于连接到卷帘快门列输出线RCO的第二处理单元来进行分析。
与图1所示的级联布置相对比，该实施例中的另外的区别是两个采样级的并联布置。在该布置中，第一采样级包括复位电平晶体管SR、复位电容器CR和读取复位晶体管RR，并配置为根据针对图1所述全局快门过程的步骤4来对浮置扩散部的复位电平进行采样。第二采样级包括信号电平晶体管SS、信号电容器CS和读取信号晶体管RS，并配置为根据针对图1所述全局快门过程的步骤6来对电荷传输之后的浮置扩散部的信号电平进行采样。
在图3所示的另外的实施例中，可切换电容可以定位在浮置扩散部处。该可切换电容可以用于调节像素的转换增益。在将四个像素11-14的信号同时传输到感测节点的全局快门模式下，与单个像素读出模式或卷帘快门模式相比，浮置扩散部将接收到四倍的电荷。然而，像素上的信号摆幅是受限的，通常限制为1V或1.5V。因此，在浮置扩散部FD处使用更大的电容器是有益的。
在该实施例中，这通过串联布置的两个复位开关RST1、RST2以及两个浮置扩散电容器CFD1、CFD2来实现，如US 2016/0112665A1中所公开的。在一种模式下，例如在全局快门模式下，复位开关RST1用作复位开关，并且复位开关RST2永久导通。在这种情况下，将浮置扩散部电容指定为CFD1+CFD2，并且因此浮置扩散部FD能够处理示例性像素单元的所有四个像素的总电荷。在第二模式中，复位开关RST1永久激活，并且复位开关RST2用于对浮置扩散部FD进行复位。在该操作模式下，仅使用浮置扩散电容器CFD1，并因此该浮置扩散电容器向像素单元提供了高转换增益。诸如在卷帘快门操作模式下或者在几乎没有光并且还需要低噪声读出以用于读出所有四个像素的情况下，该高增益模式优选地用于单个像素读出。在最优配置中，选择浮置扩散部电容以满足表达式CFD2+CFD1＝4*CFD1。可以将浮置扩散电容器CFD1最小化为仅是寄生电容。浮置扩散电容器CFD2可以部分地由额外的专用电容器来组成，或是金属-金属电容器、MOS栅极电容器或者是在混合信号CMOS工艺中可用的任何其他已知的电容器结构。
在未示出的另外的实施例中，像素单元10的所有部件可以以非堆叠的方式布置，即在单管芯上布置。这种布置对于采用不需要密集布置像素和/或像素单元的图像传感器的应用来说可以是有利的。
图4示出了根据本改进构思的像素单元10实施例的物理结构的另外的细节。该附图描绘了像素单元10的横截面，其包括以行布置的四个像素11-14。
在该实施例中，像素11-14中的每个像素包括硅基光电二极管11-14，该光电二极管的特征在于耗尽区由厚层吸收材料的底部处的p+-n结来定义，该吸收材料在该示例中是轻p掺杂硅(Si)。
每个像素11-14还包括如先前实施例中所述的传输门TX1-TX4。该传输门TX1-TX4与浮置扩散部FD一起布置在顶部管芯的层间电介质(ILD)内。在顶部管芯的底部表面上布置有接触垫CP，以用于将浮置扩散部FD连接到底部管芯上的读出部件。为了说明目的，未示出可以布置在顶部管芯上的复位晶体管RST和第一源极跟随器SF1。
像素11-14由沟槽分隔，该沟槽填充有折射率低于硅的沟槽材料。例如，沟槽材料是二氧化硅(SiO2)。另外，在该实施例中，光衍射结构LDS布置在像素11-14的光入射表面处。例如，光衍射结构由硅制成的金字塔形结构来形成。
光衍射结构LDS与填充有SiO2的沟槽一起用于增加光电二极管PD1-PD4对不以垂直角度进入像素的光的敏感度的目的。如果非垂直入射光以大于临界角来撞击到吸收层与沟槽之间的边界上，则该非垂直入射光在光衍射结构LDS的表面处进行衍射并且在吸收层内经历全内折射。因此，沟槽和光衍射结构LDS可以显著提高每个像素11-14的整体敏感度，特别是对于红外波段中，特别是包括940nm的近红外波段中的光。
在该实施例中，像素单元10的像素11-14还包括彩色滤光器R、G、B，以实现像素11-14仅对于某些波段的敏感度。例如，彩色滤光器布置可以是由两个绿色滤光器G、一个红色滤光器R和一个蓝色滤光器B组成的拜耳滤光器布置，如图所示。在该布置中，两个像素11、13配置为检测入射光的光谱的绿色部分，而一个像素14配置为检测蓝色部分，并且一个像素12配置为检测红色部分。另外，彩色滤光器R、G、B可以透射红外光，特别是包括940nm的近红外波段。
为了防止由穿过一个像素的滤光器并被另一像素的光捕获区域所捕获的光子引起的像素之间的串扰，将不透明材料OM布置在沟槽材料TM的顶部上。
实施例中的底部管芯同样包括层间电介质，布线可以布置在其中。在底部管芯的顶部表面上布置有接触垫CP，以用于将布置在部件层中的读出部件连接到浮置扩散部FD或者连接到包括在顶部管芯的ILD内的第一源极跟随器SF1的输出。
底部层中的电容器(图1中的C1和C2以及图2中的CR和CS)可以通过MOS栅极、通过金属-金属边缘电容器、通过金属-绝缘-金属板、通过金属后端中的3D沟槽电容器、或者通过硅(前端)中的沟槽电容器来构造，如本领域中公知的那样。
图5示出了根据像素单元10的实施例的示例性透射滤光器的透射特性。该图示出了相对透射率T与波长的关系。该透射滤光器将在图像传感器的顶部上使用。其抑制了可见光波段或有源照明器的波段(例如940nm)之外的光。该滤光器传送了用于RGB彩色图像的可见光(将在卷帘快门或在全局快门操作模式下读取)以及用于将在全局快门模式下读取的有源照明的近红外光。
透射滤光器可以配置为透射可见光域的特定波长范围(例如具有600nm的上截止波长)中的光，并且另外透射近红外波段(例如包括940nm)中的光的某些部分。其他波长被滤光器阻塞，例如被吸收或反射。优选地，像素单元10的不同彩色滤光器可以在可见光波段中具有不同的透射特性，但是在近红外波段中具有相同的透射特性。
在未示出的其他实施例中，顶部管芯在像素上具有彩色滤光器，该彩色滤光器也在4个像素的一些像素中包括近红外的阻塞滤光器，同时一些其他像素没有红外阻塞滤光器，而有阻塞可见光波段的滤光器。在仅对可见光波段敏感的像素上的NIR阻塞滤光器可以在RGB彩色滤光器之上或之下，或者可以是RGB彩色滤光器的一部分。如本申请所述，在卷帘快门模式下读出对可见光敏感的像素，在全局快门模式下读出对红外光敏感的像素。
图6示出了如现有技术中所采用的在卷帘快门操作模式下的像素阵列的示例性时序图。帧读出时间包括像素阵列的单个像素或像素行的非同时的、但通常为重叠且等长的曝光时间。通常来讲，在一个像素或像素行与下一个之间的时间偏移由将电荷从像素传输到像素阵列的感测节点所需的读出时间定义。一旦一帧完成，该过程就可以重新开始以获取随后帧。
图7示出了如现有技术中所采用的在全局快门操作模式下的像素阵列的示例性时序图。与图6所示的时序图相对比，像素阵列的单个像素或像素行的曝光时间同时地发生并且在长度上相等。在曝光时间结束时，来自像素阵列的所有像素或像素行的电荷同时地传输并且在像素阵列的感测节点处组合。通常，例如借助于来自高强度光源的闪光，全局快门操作模式与待捕获物体或场景的有源照明组合使用。该照明可以在曝光时间开始处或曝光时间内的预定点处发生。
如图6和图7所示，卷帘快门操作模式和全局快门操作模式都奠定了本公开的工作原理的基础，其中这两种模式应用于像素单元的单独像素水平，以允许在不同情况下和具有不同要求的图像捕获，如整个说明书所详细描述的。
附图标记说明
10 像素单元
11-14 像素
PD1-PD4 光电二极管
TX1-TX4 传输门
RST、RST1、RST2 复位晶体管
FD 浮置扩散部
CFD1、CFD2 浮置扩散电容器
SF1 第一源极跟随器
PC 预充电晶体管
SELR 卷帘快门读出晶体管
SELG 全局快门读出晶体管
S1、S2 开关晶体管
C1、C2 电容器
SF2 第二源极跟随器
SR 复位电平晶体管
CR 复位电容器
RR 读取复位晶体管
R、G、B 彩色滤光器
CP 接触垫
PROC 处理单元
LDS 光衍射结构
CO 列输出线
GCO 全局快门列输出线
RCO 卷帘快门列输出线
OM 不透明材料
TM 沟槽材料

Claims (15)

1.一种像素单元(10)，其包括：
-具有多个像素(11-14)的像素集，其中每个像素都包括光电二极管(PD1-PD4)和耦合到所述光电二极管(PD1-PD4)的传输门(TX1-TX4)；以及
-读出电路，其包括：
-浮置扩散部(FD)，其耦合到所有传输门(TX1-TX4)；
-列输出线(CO)；
-采样保持级(SHS)，其耦合到所述浮置扩散部(FD)；
-第一开关(SELG)，其将所述采样保持级(SHS)耦合到所述列输出线(CO)；以及
-第二开关(SELR)，其将所述浮置扩散部(FD)耦合到所述列输出线(CO)或者另外的列输出线。
2.根据权利要求1所述的像素单元(10)，其中，所述读出电路在全局快门操作模式下配置为：
-控制所述多个像素(11-14)，使得由所述多个像素(11-14)中的每个像素的光电二极管(PD1-PD4)响应于入射辐射而生成的对应电荷根据同时传送到传输门(TX1-TX4)的传输控制信号被同时传输到浮置扩散部(FD)；
-根据来自所述多个像素(11-14)中的每个像素的光电二极管(PD1-PD4)的对应电荷，特别是根据来自所述多个像素(11-14)中的每个像素的光电二极管(PD1-PD4)的所述对应电荷的总和或平均值，生成全局快门输出信号；以及
-根据传送到所述第一开关(SELG)的全局快门控制信号，将所述全局快门输出信号传输到所述列输出线(CO)；并在卷帘快门操作模式下配置为
-控制所述多个像素(11-14)，使得由所述多个像素(11-14)中的每个像素的光电二极管(PD1-PD4)响应于入射辐射而生成的对应电荷根据依次传送到传输门(TX1-TX4)的传输控制信号被依次传输到浮置扩散部(FD)；以及
-生成单独的卷帘快门输出信号，其中每个卷帘快门输出信号都取决于来自所述多个像素(11-14)之一的光电二极管(PD1-PD4)的对应电荷；以及
-根据传送到所述第二开关(SELR)的卷帘快门控制信号，将所述单独的卷帘快门输出信号传输到所述列输出线(CO)或者所述另外的列输出线。
3.根据权利要求2所述的像素单元(10)，其中，所述像素集在以下模式、特别是专门在以下模式下操作，
-在全局快门模式下，用于由所述多个像素(11-14)中的每个像素的光电二极管(PD1-PD4)基于第一波长范围中、特别是包括940nm的近红外范围中的入射辐射而生成的电荷；以及
-在卷帘快门模式下，用于由所述多个像素(11-14)中的每个像素的光电二极管(PD1-PD4)基于第二波长范围中、特别是可见光范围中的入射辐射而生成的电荷。
4.根据权利要求1至3之一所述的像素单元(10)，其中，至少所述多个像素(11-14)和所述浮置扩散部布置在第一管芯上，并且至少所述列输出线(CO)、所述采样保持级(SHS)和所述第一开关(SELG)布置在第二管芯上。
5.根据权利要求1至4之一所述的像素单元(10)，其中，所述采样保持级(SHS)包括第一存储级和第二存储级，其中，所述第一存储级和所述第二存储级
-串联或并联布置；以及
-分别包括开关(S1、S2)和电容器(C1、C2)。
6.根据权利要求1至5之一所述的像素单元(10)，还包括所述另外的列输出线，其中，所述另外的列输出线配置为卷帘快门列输出线(RCO)，并且所述列线(CO)配置为全局快门列输出线(GCO)。
7.根据权利要求1至6之一所述的像素单元(10)，其中，
-所述多个像素(11-14)的像素由沟槽分隔，特别是由填充有具有与所述像素的材料相比较小的折射率的沟槽材料(TM)的沟槽分隔；以及
-所述多个像素(11-14)中的每个像素还包括光衍射结构(LDS)。
8.根据权利要求1至7之一所述的像素单元(10)，还包括滤光器的彩色滤光器布置，其中，
-每个滤光器用作针对不同波长范围、特别是红光、绿光或蓝光的波长范围的带通滤光器，使得像素集(11-14)的像素中的每个或者大多数像素都包括不同的彩色滤光器；以及
-所述滤光器用作针对另外的波长范围、特别是红外光的另外的波长范围、特别是包括940nm的另外的波长范围的带通滤光器。
9.根据权利要求1至8之一所述的像素单元(10)，其中，所述像素集包括：
-三个像素；或者
-四个像素，特别是以2×2矩阵布置的四个像素。
10.根据权利要求1至9之一所述的像素单元(10)，其中，所述多个像素(11-14)的每个像素在尺寸上相等，并且具有小于2μm×2μm的占用面积，特别是等于或小于1.4μm×1.4μm的占用面积。
11.根据权利要求1至10之一所述的像素单元(10)，其中，所述浮置扩散部(FD)的电容是可调的，特别是借助于开关是可调的。
12.一种图像传感器，特别是一种CMOS图像传感器，其包括多个根据权利要求1至11之一所述的像素单元(10)。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述图像传感器配置为在全局快门操作模式下操作以用于对物体或场景进行三维成像。
14.一种具有相机系统的电子设备，所述相机系统具有包括根据权利要求12或13所述的图像传感器。
15.一种像素单元(10)的操作方法，所述像素单元包括具有多个像素(11-14)的像素集，其中所述多个像素(11-14)中的每个像素都配置为捕获入射在相应像素上的光信息，并生成表示所述光信息的电信息，所述方法包括：
-收集并输出来自所述多个像素(11-14)中的每个像素的电信息；以及
-在全局快门模式下、以及在卷帘快门模式下操作所述像素集；
其中，
-在全局快门操作模式下，将来自所述多个像素(11-14)中的每个像素的电信息进行组合、特别是组合为总和或平均值，以用于生成全局快门输出信号；以及
-在卷帘快门操作模式下，来自所述多个像素(11-14)中的每个像素的电信息用于生成单独的卷帘快门输出信号。
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