CN114173071B - 具有埋入式沟道的双转换增益电路 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有埋入式沟道的双转换增益电路”。本发明公开了一种成像设备，所述成像设备可具有各自具有光电二极管和浮动扩散节点的图像传感器像素的阵列。所述阵列中的每个图像传感器像素还可包括双转换增益开关和双转换增益电容器，所述双转换增益电容器允许所述图像传感器像素以低转换增益模式和高转换增益模式操作，在所述低转换增益模式期间，所述开关被接通以在所述浮动扩散节点和所述双转换增益电容器之间共享电荷，在所述高转换增益模式中，所述开关被关断。在积聚期间，所述光电二极管可生成比可保持在所述浮动扩散节点处更多的电荷。埋入式沟道可设置在所述双转换增益开关下方以提供路径，沿着所述路径，即使当所述双转换增益开关断开时，过量电荷也可在所述浮动扩散节点和所述双转换增益电容器之间共享。

Description

具有埋入式沟道的双转换增益电路
本分案申请是基于申请号为201910115252.1，申请日为2019年2月15日，发明名称为“具有埋入式沟道的双转换增益电路”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及具有双转换增益功能的图像传感器像素。
背景技术
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置方式中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。
典型的图像像素包括光电二极管，用于响应于入射光而生成电荷。图像像素可包括双转换增益开关，该双转换增益开关允许像素在期望增加的灵敏度的低光条件下以高转换增益模式操作，并且在期望增加的电荷存储容量的高光条件下以低转换增益模式操作。在一些情况下，即使在像素以高转换增益模式操作时，也可能期望使用由双转换增益电路提供的增加的电荷存储容量。虽然双转换增益开关可被接通以访问像素的增加的电荷存储容量，但是这可能增加与像素相关联的暗电流和噪声。
因此，可能有利的是能够提供具有改进的图像传感器像素的成像设备。
发明内容
本发明一方面提供一种图像传感器像素，在半导体衬底上形成，所述图像传感器像素包括：光电探测器，所述光电探测器响应于入射光而生成电荷；浮动扩散节点，所述浮动扩散节点存储所述电荷；双转换增益电容器；双转换增益开关，所述双转换增益开关在所述双转换增益开关导通时将所述电荷从所述浮动扩散节点转移到所述双转换增益电容器；以及所述半导体衬底中的埋入式沟道，所述埋入式沟道在所述双转换增益开关断开时将所述电荷从所述浮动扩散节点转移到所述双转换增益电容器。
本发明另一方面提供一种图像传感器像素，包括：光电二极管，所述光电二极管在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷；浮动扩散节点，其中所述电荷在所述积聚时间期间从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散节点；双转换增益晶体管；以及双转换增益电容器，其中所述电荷在所述积聚时间期间从所述浮动扩散节点流动到所述双转换增益电容器，而不接通所述双转换增益晶体管，其中所述半导体衬底中具有埋入式沟道，在所述积聚时间期间，所述电荷通过所述埋入式沟道从所述浮动扩散节点流动到所述双转换增益电容器，而不接通所述双转换增益晶体管。
本发明再一方面提供一种操作图像传感器像素的方法，所述图像传感器像素具有光电二极管、浮动扩散节点、双转换增益电容器、双转换增益开关以及在所述双转换增益开关下方的埋入式沟道，所述方法包括：在积聚时间期间以所述光电二极管生成电荷，其中所述电荷中的至少一些在所述积聚时间期间从所述光电二极管溢出；以所述浮动扩散节点存储从所述光电二极管溢出的所述电荷；以及以所述埋入式沟道将所述电荷中的至少一些从所述浮动扩散节点转移到所述双转换增益电容器，而不激活所述双转换增益开关。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以便使用图像像素阵列捕获图像。
图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。
图3为根据一个实施方案的具有双转换增益电路的示例性图像传感器像素的电路图。
图4为根据一个实施方案的具有带有埋入式沟道的双转换增益开关的示例性图像传感器像素的一部分的横截面侧视图。
图5为根据一个实施方案的具有带有埋入式沟道的双转换增益开关的示例性图像传感器像素的积聚周期的电位图。
图6为根据一个实施方案的用于从具有带有埋入式沟道的双转换增益开关的示例性图像传感器像素对电荷进行采样的时序图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及具有带有双转换增益(DCG)功能的像素的图像传感器。本领域技术人员应当理解，本发明的示例性实施方案可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，并未详细描述众所周知的操作，以免不必要地模糊本实施方案。
具有数字相机模块的成像系统广泛用于电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备中。数字相机模块可包括一个或多个图像传感器，这些图像传感器收集入射光以捕捉图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成电荷的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数百、数千或数百万的像素(如，百万像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。
图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。
如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24。阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22产生的图像信号。
图像读出电路28(有时称为列读出和控制电路28)可通过列线32接收图像信号(例如，由像素22产生的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或者耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22以及用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素通过路径25将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。
如果需要，图像像素22可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。图像阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的实例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素22上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。
图3中示出了图像像素阵列20的示例性图像像素22的电路图。如图3所示，像素22可包括光敏元件，诸如光电二极管(PD)34(有时在本文中称为光电探测器34)。可在正电源端子36处提供像素正电源电压(例如，电压Vpix)。可在接地端子38和接地端子44处提供接地电源电压。光电二极管34可响应于接收入射的光子(即，入射光)而生成电荷(例如，电子)。由光电二极管34收集的电荷量取决于入射光的强度和曝光持续时间(本文中有时称为积聚周期(integration period)积聚时间(integration time))。
在积聚周期开始之前，可使重置控制信号RG生效。这接通(本文中有时称为激活)重置晶体管40，并将电荷存储节点42(也称为浮动扩散FD)重置为等于或接近Vpix(重置电压)的电压。在该时间期间，转移栅极46也可被接通和关断(转移信号TG可生效，然后失效)以重置光电二极管34。重置控制信号RG然后可失效以关断(本文中有时称为停用)重置晶体管40。在重置过程完成之后，积聚周期开始并且电荷开始响应于入射光而在光电二极管34上聚积。在积聚周期消逝之后，转移栅极控制信号TG可生效以接通转移晶体管(转移栅极)46。当转移晶体管46被接通时，由光电二极管34响应于入射光(即，在积聚周期期间)所生成的电荷被转移到电荷存储节点42。
电荷存储节点42可使用掺杂半导体的区域(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术形成于硅衬底中的掺杂硅区域)实施。掺杂半导体区域(即，浮动扩散节点FD)可表现出可用于存储从光电二极管34转移的电荷的电容。与节点42上的所存储电荷相关联的信号由源极跟随器(SF)晶体管48缓冲。行选择晶体管50经由路径52将源极跟随器晶体管48连接到列输出线53。
当期望读出存储在浮动扩散节点42上的电荷(即，由晶体管48的源极处的信号表示的所存储电荷的量)时，可使行选择控制信号SEL生效。当信号SEL生效时，晶体管50接通，并且在输出路径52上产生对应的信号Vout，该信号表示电荷存储节点42上的电荷的大小。在典型配置中，存在多行和多列像素，诸如在给定图像传感器16的图像传感器像素阵列20中的像素22。导电路径(诸如列读出线53)可与一列图像像素22相关联。路径52上的信号Vout被耦接到阵列20中的每个像素的列读出线53上，因为行选择控制信号SEL在每个像素中生效。列读出线53将来自像素22的信号Vout路由到读出电路(例如，图2中的列读出和控制电路28)。
在图3的布置中，像素22设置有双转换增益电路，该双转换增益电路包括双转换增益开关(DCG)54(本文中有时称为双转换增益晶体管或双转换增益栅极)和双转换增益电容器(DCG Cap)56。双转换增益电路允许像素22以低转换增益模式和高转换增益模式操作。
当以低转换增益模式操作时，双转换增益开关54被接通。这将浮动扩散节点42耦接到双转换增益电容器56，从而向浮动扩散节点42提供附加电容。当由光电二极管34生成并转移到浮动扩散节点42的电荷太大而不能保持在浮动扩散节点42处时，过量电荷可被存储在电容器56上，从而与双转换增益开关54断开时相比，增加了像素的电荷保持容量，同时降低了其灵敏度。通过在读出操作期间(例如，在行选择晶体管50被接通时)保持双转换增益开关54导通，可利用存储在浮动扩散节点42上的电荷读出存储在双转换增益电容器56上的电荷。通过在重置操作期间(例如，在重置晶体管40被接通时)保持双转换增益开关54导通，双转换增益电容器56可以被重置到等于或接近Vpix的重置电压。
当以高转换增益模式操作时，双转换增益开关54可被关断。在这种情况下，由光电二极管34生成的电荷不被路由到双转换增益电容器56，从而与双转换增益开关54导通时相比，减小了像素的电荷保持容量，同时增加了其灵敏度。在这种情况下，像素的电荷保持容量限于浮动扩散节点42的电容。
在一些情形中，即使当像素22以高转换增益模式操作时，也可能期望使用双转换增益电容器56的过量电荷存储能力。例如，如果在积聚周期期间(例如，在高照度条件期间)超过光电二极管34的电荷保持容量，则电荷中的一些可通过转移栅极46溢出(overflow)以保持在浮动扩散节点42处(即，即使栅极46断开，电荷也可通过栅极46流动到节点42)。为了在诸如此类的情形中增加像素22的溢出容量，可能期望使用双转换增益电容器56的过量电荷存储能力来存储溢出电荷。
在积聚期间使用双转换增益电容器56以存储溢出电荷的一种方式是在积聚期间周期性地接通(本文中有时称为脉冲或切换)双转换增益开关54，从而允许浮动扩散节点42上的过量电荷与双转换增益电容器56共享(转移到双转换增益电容器56)。然而，以这种方式切换双转换增益开关可从浮动扩散节点42生成附加的暗电流。这种增加的暗电流可增加像素22的噪声基底或增加与像素22相关联的固定图案噪声，这可能降低所产生图像的质量。
为了在没有脉冲双转换增益开关54的情况下允许双转换增益电容器56在积聚期间存储溢出电荷，像素22可在开关54下方设置有埋入式沟道，该埋入式沟道创建路径，沿着该路径，电荷可从浮动扩散节点42移动到双转换增益电容器56，而无需接通双转换增益开关54。图4中示出了具有带有埋入式沟道的双转换增益开关54的示例性图像传感器像素22的一部分的横截面侧视图。在图4中所示的像素22的部分中，半导体衬底58包括浮动扩散节点42的一部分以及形成在其中的双转换增益电容器56的一部分。如果需要，浮动扩散节点42和双转换增益电容器56的部分可以是半导体衬底58的N+型掺杂部分(本文中有时称为掺杂区域)。半导体衬底58的掺杂部分60(本文中有时称为掺杂区域60)可从浮动扩散节点42延伸到双转换增益电容器56，从而在节点42和电容器56之间形成电路径。如图4所示，掺杂部分60可形成在半导体衬底58的表面处。如果需要，掺杂部分60可以是半导体衬底58的P型掺杂部分。双转换增益栅极54形成在掺杂部分60上方，其中栅极氧化物64在栅极54和掺杂部分60之间。
除了掺杂部分60之外，埋入式沟道68还可形成在半导体衬底58中。埋入式沟道68可从浮动扩散节点42延伸到双转换增益电容器56，从而在节点42和沟道电容器56之间形成电路径。如果需要，埋入式沟道68可以是半导体衬底58的N型掺杂部分(本文中有时称为掺杂区域)。如图4所示，沟道68被“埋入”在掺杂部分60下方的半导体衬底58中(即，形成在半导体衬底58的表面下方和/或嵌入在半导体衬底58内)。
当双转换增益栅极54被接通并且像素22以低转换增益模式操作时，电荷将沿着路径62(即，通过掺杂部分60)从浮动扩散节点42流动到双转换增益电容器56。然而，当双转换增益栅极54被关断并且像素22以高转换增益模式操作时，一些电荷将仍从浮动扩散节点42流动到双转换增益电容器56。然而，在这种情况下，电荷将沿着路径70流动(即，通过埋入式沟道68)。以这种方式，即使当双转换增益栅极54断开并且像素22以高转换增益模式操作时，埋入式沟道68也允许双转换增益电容器56用于溢出电荷存储。
图5示出上文结合图4所描述的类型的示例性图像传感器图像像素22的积聚周期的电位图。在积聚周期期间，转移栅极46可被关断(转移栅极信号TG可失效，使得转移栅极46被保持在电压VTG_low处)。在光电二极管34(PD)响应于入射光而生成电荷时，光电二极管34的电荷保持容量可被超过(即，光电二极管34的电位可达到或降低到VTG_low以下)，使得电荷从光电二极管34溢出到浮动扩散42(FD)中，如箭头72所示。
在图5的示例性示例中，双转换增益开关54断开并且像素22以高转换增益模式操作。在不存在埋入式沟道68的情况下，浮动扩散节点42和双转换增益电容器56之间的位垒将约等于VTG_low(如图5中的虚线所示)。在溢出电荷聚积在浮动扩散节点42上时，浮动扩散节点42的电荷保持容量可被超过(即，浮动扩散节点42的电位可达到或降低到VTG_low以下)。在这种情况下，浮动扩散节点42和双转换增益电容器56之间的位垒与浮动扩散节点42和光电二极管34之间的位垒相同。为了允许过量电荷从浮动扩散节点42移动到双转换增益电容器56，必须增加双转换增益开关54处的偏置电压(即，开关54必须被接通)。然而，这可在图像信号中生成暗电流和不希望的附加噪声的风险。
然而，当埋入式沟道68存在时，即使当双转换增益开关54断开时，双转换增益电容器56和浮动扩散节点42之间的位垒也减小到VDCG_low。因此，在溢出电荷聚积在浮动扩散节点42上以使得浮动扩散42的电荷保持容量被超过(即，浮动扩散节点42的电位达到或降低到VDCG_low以下时)，过量电荷可从浮动扩散节点42溢出到双转换增益电容器56，如箭头76所示。这允许溢出电荷积聚而不引入与脉冲双转换增益开关54相关联的附加暗电流和噪声。
在积聚周期期间，重置栅极40被关断(可以使重置栅极信号RG失效，使得重置栅极40被保持在电压VRG_low处)。一般来讲，并且如图5所示，以下在等式(1)中示出的关系应在积聚周期期间保持在转移栅极46、双转换增益开关54和重置栅极40的相对电位之间：
0V<VTG_low<VRG_low<VDCG_low(1)
在积聚周期消逝之后并且浮动扩散节点42和双转换增益电容器56上的电荷已被读出之后，重置栅极信号RG可生效以将光电二极管34、浮动扩散节点42和双转换增益电容器56重置到在Vpix处或附近的电压。
用于对来自结合图3至图5所示和所述的类型的示例性图像传感器像素22的电荷进行采样的时序图示于图6中。在时间t1处，重置信号RG可生效，从而接通重置晶体管40。重置信号RG可继续生效，直到时间t2。在时间t1和时间t2之间，双转换增益信号DCG可生效并且转移栅极信号TG可生效。这接通双转换增益开关54和转移栅极46，从而将光电二极管34、浮动扩散节点42和双转换增益电容器56重置到重置电压(例如，Vpix)。
在时间t2处，重置操作结束并且积聚周期开始。在积聚周期期间，光电二极管34响应于入射光而生成电荷。如上结合图4和图5所述，在积聚周期期间从光电二极管34溢出的过量电荷可被存储在浮动扩散节点42上。由于埋入式沟道68的存在，在积聚周期期间(例如，在高照度条件下)从浮动扩散节点42溢出的过量电荷可被存储在双转换增益电容器56上。如图6所示，电荷在积聚周期期间可从浮动扩散节点42流动到双转换增益电容器56而不使双转换增益信号DCG生效(即，不接通双转换增益开关54)。
在积聚周期即将结束时，图像读出电路28(包括其采样和保持电路)可开始采样由像素22生成的图像信号。在时间t3处，行选择控制信号SEL生效，从而允许读出由光电二极管34生成的电荷。在时间t4处，双转换增益信号DCG生效，从而接通双转换增益开关54并且结束积聚周期(即，积聚周期从t2持续到t4)。当DCG信号生效时，在积聚周期期间聚积在浮动扩散节点42和双转换增益电容器56处的溢出电荷(而不是由光电二极管34生成的未溢出的电荷)耦接到源极跟随器晶体管48上并且经由路径52耦接到列输出线53上(读出)作为采样信号SHS_DCG+FD(本文中有时称为第一采样信号)。
在时间t5处，并且在信号DCG仍生效时，重置信号RG生效，从而将浮动扩散节点42和双转换增益电容器56重置到重置电压(例如，Vpix)。信号DCG然后失效，从而关断双转换增益电容器56。在DCG失效之后，重置信号RG失效。浮动扩散节点42上的重置电压然后耦接到源极跟随器晶体管48上并且经由路径52耦接到列输出线53上(读出)作为重置信号SHR。
在时间t6处，转移信号TG生效，从而在积聚周期期间将由光电二极管34生成的电荷(其不溢出)耦接到浮动扩散节点42上。一旦电荷已被转移到浮动扩散42上，转移信号TG便失效。浮动扩散节点42上的电荷耦接到源极跟随器晶体管48上并且经由路径52耦接到列输出线53上(读出)作为采样信号SHS_PD(本文中有时称为第二或附加采样信号)。
在时间t7处，行选择信号SEL失效，从而结束读出操作。重置信号RG生效，从而将浮动扩散节点42重置到重置电压(例如，Vpix)。
在信号SHS_DCG+FD、SHR和SHS_PD已被采样之后，处理电路(诸如图2的控制和处理电路24)可用于生成指示由光电二极管34生成的电荷(包括溢出电荷)的总量的图像信号。读出重置信号SHR以及采样信号SHS_DCG+FD和SHS_PD允许对信号执行噪声和/或暗电流补偿(例如，通过减法操作)。这些减法操作可称为双采样。由于在SHS_DCG+FD采样读出之后发生重置电压电平(SHR)读出，所以SHS_DCG+FD的双采样读出可以是具有不相关的噪声的读出(例如，双采样读出不是相关双采样读出)。然而，相较于仅读出信号电平，双采样读出仍可降低噪声电平。由于重置电压读出在SHS_PD读出之前发生，因此相关双采样可用于生成噪声和/或暗电流补偿的SHS_PD读出信号。在通过相关双采样操作和/或具有不相关噪声的双采样操作进行处理之后，信号SHS_DCG+FD和SHS_PD可被组合以生成噪声校正信号，该信号指示在积聚时间期间由光电二极管34生成的电荷(包括溢出电荷)的总量。
虽然上文结合一个像素22进行描述，但阵列20中的每个像素22可被设置有双转换增益电路(例如，开关54和电容器56)，该双转换增益电路具有埋入式沟道68，该埋入式沟道能够生成图像信号，该图像信号指示由光电二极管34以减小的噪声生成的电荷(包括溢出电荷)的总量。来自阵列20中的像素22中的每个的图像信号然后可被组合(例如，通过处理电路24)以生成数字图像。
已经描述了各种实施方案，示出了具有带有埋入式沟道的双转换增益电路的图像传感器像素。
在各种实施方案中，形成在半导体衬底上的图像传感器像素可包括光电探测器，该光电探测器响应于入射光而生成电荷；浮动扩散节点，该浮动扩散节点存储电荷；双转换增益电容器；双转换增益开关，该双转换增益开关可在双转换增益开关导通时将电荷从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器；以及半导体衬底中的埋入式沟道，该埋入式沟道可在双转换增益开关断开时将电荷从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器。
在一些实施方案中，光电探测器可在积聚周期期间响应于入射光而生成电荷，并且存储在浮动扩散节点上的电荷可在积聚周期期间从光电探测器溢出到浮动扩散节点。在积聚周期期间，存储在浮动扩散节点上的电荷可在双转换增益开关断开时通过埋入式沟道从浮动扩散节点溢出到双转换增益电容器。
在一些实施方案中，浮动扩散节点和双转换增益电容器可包括半导体衬底的N+型掺杂部分。埋入式沟道可从浮动扩散节点延伸到双转换增益电容器。埋入式沟道可包括半导体衬底的N型掺杂部分。在双转换增益开关断开时从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器的电荷可通过N型掺杂部分转移。图像传感器像素还可包括在半导体衬底的N型掺杂部分和双转换增益开关之间的半导体衬底的P型掺杂部分。在双转换增益开关导通时从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器的电荷可通过P型掺杂部分转移。
在各种实施方案中，图像传感器像素可包括光电二极管，该光电二极管在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷；以及浮动扩散节点。由光电二极管生成的电荷可在积聚时间期间从光电二极管溢出到浮动扩散节点。图像传感器像素还可包括双转换增益晶体管和双转换增益电容器。电荷可在积聚时间期间从浮动扩散节点流动到双转换增益电容器，而不接通双转换增益晶体管。
在一些实施方案中，图像传感器像素可形成在半导体衬底中，并且还可包括半导体衬底中的埋入式沟道。在积聚时间期间，电荷可通过埋入式沟道从浮动扩散节点流动到双转换增益电容器，而不接通双转换增益晶体管。图像传感器像素还可包括半导体衬底中的掺杂区域，在积聚时间期间，当双转换增益晶体管被接通时，电荷可通过该掺杂区域从浮动扩散节点流动到双转换增益电容器。掺杂区域可在埋入式沟道和双转换增益晶体管之间。浮动扩散节点和双转换增益电容器可形成在半导体衬底中。埋入式沟道可从浮动扩散节点延伸到双转换增益电容器。掺杂区域可从浮动扩散节点延伸到双转换增益电容器。
在一些实施方案中，图像传感器像素还可包括耦接在光电二极管和浮动扩散节点之间的转移栅极。电荷可通过转移栅极从光电二极管流动到浮动扩散节点。图像传感器像素还可包括耦接到光电二极管、浮动扩散节点和双转换增益电容器的重置栅极。在积聚时间期间，双转换增益晶体管可保持在第一电位处，重置栅极可保持在小于第一电位的第二电位处，并且转移栅极可保持在小于第二电位的第三电位处。
在各种实施方案中，操作具有光电二极管、浮动扩散节点、双转换增益电容器、双转换增益开关以及在双转换增益开关下方的埋入式沟道的图像传感器像素的方法可包括在积聚时间期间用光电二极管生成电荷。电荷中的至少一些可在积聚时间期间从光电二极管溢出。从光电二极管溢出的电荷可被存储在浮动扩散节点上。电荷中的至少一些可使用埋入式沟道从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器，而不激活双转换增益开关。
在一些实施方案中，图像传感器还包括重置栅极以及耦接在光电探测器和浮动扩散节点之间的转移栅极。该方法还可包括在积聚时间开始之前并且在重置栅极被激活时，激活转移栅极和双转换增益开关以重置光电二极管、浮动扩散节点和双转换增益电容器。图像传感器像素还可包括行选择晶体管。该方法还可包括在积聚时间结束之后并且在行选择晶体管被激活时，激活双转换增益开关以读出浮动扩散节点和双转换增益电容器上的电荷作为采样信号。该方法还可包括在读出浮动扩散节点和双转换增益电容器上的电荷之后激活重置栅极以再次重置浮动扩散节点和双转换增益电容器。在再次重置浮动扩散节点和双转换增益电容器之后，双转换增益开关可被停用。在停用双转换增益开关之后，浮动扩散节点上的电荷可被读出作为重置信号。该方法还可包括在读出浮动扩散节点上的电荷作为重置信号之后并且在行选择晶体管被接通时，激活转移栅极，以将由光电二极管生成的在积聚周期期间不溢出的电荷转移到浮动扩散节点。由光电二极管生成的在积聚周期期间不溢出的电荷可从浮动扩散节点读出作为附加采样信号。
根据一个实施方案，形成在半导体衬底上的图像传感器像素可包括光电探测器，该光电探测器响应于入射光而生成电荷；浮动扩散节点，该浮动扩散节点存储电荷；双转换增益电容器；双转换增益开关，该双转换增益开关在双转换增益开关导通时将电荷从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器；以及半导体衬底中的埋入式沟道，该埋入式沟道在双转换增益开关断开时将电荷从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，光电探测器可在积聚周期期间响应于入射光而生成电荷，并且存储在浮动扩散节点上的电荷可在积聚周期期间从光电探测器溢出到浮动扩散节点。
根据另一个实施方案，在积聚周期期间，存储在浮动扩散节点上的电荷可在双转换增益开关断开时通过埋入式沟道从浮动扩散节点溢出到双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，浮动扩散节点和双转换增益电容器可包括半导体衬底的N+型掺杂部分。
根据另一个实施方案，埋入式沟道可从浮动扩散节点延伸到双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，埋入式沟道可包括半导体衬底的N型掺杂部分，并且在双转换增益开关断开时从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器的电荷可通过N型掺杂部分转移。
根据另一个实施方案，图像传感器还可包括插置在半导体衬底的N型掺杂部分和双转换增益开关之间的半导体衬底的P型掺杂部分，其中在双转换增益开关导通时从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器的电荷通过P型掺杂部分转移。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括光电二极管，该光电二极管在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷；浮动扩散节点，其中电荷在积聚时间期间从光电二极管溢出到浮动扩散节点；双转换增益晶体管；以及双转换增益电容器。电荷可在积聚时间期间从浮动扩散节点流动到双转换增益电容器，而不接通双转换增益晶体管。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可形成在半导体衬底中，并且还可包括半导体衬底中的埋入式沟道，在积聚时间期间，电荷通过该埋入式沟道从浮动扩散节点流动到双转换增益电容器，而不接通双转换增益晶体管。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括半导体衬底中的掺杂区域，在积聚时间期间，当双转换增益晶体管被接通时，电荷通过该掺杂区域从浮动扩散节点流动到双转换增益电容器。掺杂区域可被插置在埋入式沟道和双转换增益晶体管之间。
根据另一个实施方案，浮动扩散节点和双转换增益电容器可形成在半导体衬底中。
根据另一个实施方案，埋入式沟道可从浮动扩散节点延伸到双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，掺杂区域可从浮动扩散节点延伸到双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括转移栅极，该转移栅极耦接在光电二极管和浮动扩散节点之间，其中电荷通过转移栅极从光电二极管溢出到浮动扩散节点；以及重置栅极，该重置栅极耦接到光电二极管、浮动扩散节点和双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，在积聚时间期间，双转换增益晶体管可保持在第一电位处，重置栅极可保持在小于第一电位的第二电位处，并且转移栅极可保持在小于第二电位的第三电位处。
根据一个实施方案，操作具有光电二极管、浮动扩散节点、双转换增益电容器、双转换增益开关以及在双转换增益开关下方的埋入式沟道的图像传感器像素的方法可包括在积聚时间期间用光电二极管生成电荷，其中电荷中的至少一些在积聚时间期间从光电二极管溢出；用浮动扩散节点存储从光电二极管溢出的电荷；以及用埋入式沟道将电荷中的至少一些从浮动扩散节点转移到双转换增益电容器，而不激活双转换增益开关。
根据另一个实施方案，图像传感器还可包括重置栅极以及耦接在光电二极管和浮动扩散节点之间的转移栅极，并且该方法还可包括在积聚时间开始之前并且在重置栅极被激活时，激活转移栅极和双转换增益开关以重置光电二极管、浮动扩散节点和双转换增益电容器。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括行选择晶体管，并且该方法还可包括在行选择晶体管被激活时并且在积聚时间结束之后，激活双转换增益开关以读出浮动扩散节点和双转换增益电容器上的电荷作为采样信号。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在读出浮动扩散节点和双转换增益电容器上的电荷之后，激活重置栅极以再次重置浮动扩散节点和双转换增益电容器；在再次重置浮动扩散节点和双转换增益电容器之后，停用双转换增益开关；以及在停用双转换增益开关之后，读出浮动扩散节点上的电荷作为重置信号。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在读出浮动扩散节点上的电荷作为重置信号之后，在行选择晶体管被接通时激活转移栅极，以将由光电二极管生成的在积聚周期期间不溢出的电荷转移到浮动扩散节点，并且从浮动扩散节点读出由光电二极管生成的在积聚周期期间不溢出的电荷作为附加采样信号。
上述内容仅仅为示例性的，并且可对所描述的实施方案进行各种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底；
光敏元件；
电荷存储节点，被配置为存储由所述光敏元件生成的电荷；
双转换增益电容器；
双转换增益开关，在所述双转换增益开关导通时将所述电荷从所述电荷存储节点转移到所述双转换增益电容器；以及
所述半导体衬底中的埋入式沟道，在所述双转换增益开关断开时将所述电荷从所述电荷存储节点转移到所述双转换增益电容器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光敏元件在积聚周期期间响应于入射光而产生所述电荷，并且其中存储在所述电荷存储节点上的所述电荷在所述积聚周期期间从所述光敏元件溢出到所述电荷存储节点。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，在所述积聚周期期间，存储在所述电荷存储节点上的所述电荷在所述双转换增益开关断开时通过所述埋入式沟道从所述电荷存储节点溢出到所述双转换增益电容器。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述电荷存储节点和所述双转换增益电容器包括所述半导体衬底的N+型掺杂部分。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述埋入式沟道从所述电荷存储节点延伸到所述双转换增益电容器。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述埋入式沟道包括所述半导体衬底的N型掺杂部分，并且其中在所述双转换增益开关断开时从所述电荷存储节点转移到所述双转换增益电容器的所述电荷通过所述N型掺杂部分转移。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，还包括：
所述半导体衬底的P型掺杂部分，插置在所述半导体衬底的所述N型掺杂部分和所述双转换增益开关之间，其中在所述双转换增益开关导通时从所述电荷存储节点转移到所述双转换增益电容器的所述电荷通过所述P型掺杂部分转移。
8.一种图像传感器，包括：
具有表面的半导体衬底；
所述半导体衬底中的第一电荷存储区域；
所述半导体衬底中的第二电荷存储区域；
所述半导体衬底的第一掺杂部分，形成在所述半导体衬底的所述表面并且从所述第一电荷存储区域延伸到所述第二电荷存储区域；
栅极，形成在所述半导体衬底的所述第一掺杂部分之上；以及
所述半导体衬底的第二掺杂部分，其被埋入在所述第一掺杂部分下方的所述半导体衬底中，其中所述第二掺杂部分从所述第一电荷存储区域延伸到所述第二电荷存储区域。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述第二掺杂部分是所述半导体衬底的N型掺杂部分。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述第一掺杂部分是所述半导体衬底的P型掺杂部分。
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