CN117083874A

CN117083874A - 图像元件读出电路、图像元件和图像元件读出方法

Info

Publication number: CN117083874A
Application number: CN202280024079.4A
Authority: CN
Inventors: 约翰内斯·索尔胡斯维克; 坂野赖人
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-11-17
Also published as: EP4315834A1; KR20230162944A; WO2022207381A1; US20240171882A1

Abstract

本公开总体上涉及图像元件读出电路，该图像元件读出电路被配置为：感测光敏元件中的电载流子的量，其中，所述光敏元件被配置为响应于入射到所述光敏元件上的光而生成所述电载流子；以及当所述电载流子的量已经达到预定值时，从所述光敏元件读取所述电载流子。

Description

图像元件读出电路、图像元件和图像元件读出方法

技术领域

本公开总体上涉及图像元件读出电路、图像元件和图像元件读出方法。

背景技术

通常，用于读取光电二极管中(例如，相机中)生成的电荷的方法是已知的。

在预定曝光时间之后，可以使用(电动)快门，使得在曝光时间到期之后，光电二极管中不再生成电荷。曝光时间可以自动设置或基于用户偏好设置。

在这种设备和方法中，生成的电荷从光电二极管排出并且不能恢复，使得这种方法可以被称为破坏性读出方法。

非破坏性读出方法也是已知的。例如，可以利用光电二极管和深沟槽隔离(DTI)之间的寄生电容来感测光电二极管电荷，以便确定读出时间点，这将参考图1进行讨论。

虽然存在用于读出光电二极管的技术，但是通常希望提供图像元件读出电路、图像元件和图像元件读出方法。

发明内容

根据第一方面，本公开提供了图像元件读出电路，其被配置为：

感测光敏元件中的电载流子的量，其中，光敏元件被配置为响应于入射到光敏元件上的光而生成电载流子；以及

当电载流子的量已经达到预定值时，从光敏元件读取电载流子。

根据第二方面，本公开提供了一种图像元件，该图像元件包括：

光敏元件；以及

图像元件读出电路，被配置为：

当电载流子的量达到预定值时，从光敏元件读取电载流子。

根据第三方面，本公开提供了一种图像元件读出方法，该图像元件读出方法包括：

在从属权利要求、下面的描述和附图中阐述了进一步的方面。

附图说明

参考附图通过示例的方式解释实施方式，其中：

图1描绘了是众所周知的像素；

图2描绘了根据本公开的图像元件的电路图，图像元件包括根据本公开的图像元件读出电路；

图3描绘了根据本公开的图像元件的另一实施方式的示意图，图像元件包括根据本公开的图像元件读出电路，其中，光电二极管和参考电压之间的寄生电容用于感测光电二极管中的电压变化；

图4是根据本公开的图像元件读出方法的实施方式的流程图；

图5是用于示出图4的图像元件读出方法中的感测的示图；

图6描绘了图像元件的另一实施方式，图像元件包括根据本公开的图像元件读出电路，其中，光电二极管和转移栅极之间的寄生电容用于感测光电二极管中的电压变化；

图7描绘了图像元件的另一实施方式，图像元件包括根据本公开的图像元件读出电路，其中，光电二极管和钉扎层之间的寄生电容用于感测光电二极管中的电压变化；

图8描绘了根据本公开的利用CDS读取电荷的感测电路的实施方式；

图9描绘了根据本公开的利用Vth调制感测的图像元件读出电路的另一实施方式的电路图；

图10描绘了图9的图像元件读出电路的平面图；

图11描绘了时序图，根据该时序图，控制信号被施加到图9和图10的图像元件读出电路；

图12描绘了根据本公开的利用电容感测的图像元件读出方法的另一实施方式；

图13描绘了根据本公开的利用Vth调制感测的图像元件读出方法的另一实施方式；

图14是根据本公开的半导体设备的截面图；

图15描绘了根据本公开的半导体设备的两个实施方式；

图16是描绘车辆控制系统的示意性配置的示例的框图；以及

图17是辅助说明车外信息检测部和成像部的安装位置的示例的示图。

具体实施方式

在给出从图2开始的实施方式的详细描述之前，进行一般性说明。

如开头所述，非破坏性像素读出方法是众所周知的。

然而，已经认识到，期望提供像素的向下可扩展性，使得可以以低成本实现高分辨率，例如在具有高动态范围(HDR)的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的情况下。

已知的HDR像素(例如，DCG(双转换增益)、分割PD(光电二极管)、LOFIC(横向溢出积分电容器)等)可能难以缩放到大约2微米以下，因为光电二极管可能变得太小而不能具有足够的低光性能。

因此，已经认识到减小读出电路的尺寸可能是合适的。

已经进一步认识到，组合(或装箱)相邻像素的超高分辨率HDR传感器可能具有高制造复杂性，因此成本高。

此外，已知的CMOS图像传感器像素可以使用相关双采样(CDS)来读取或感测光电二极管中累积的信号电荷，从而产生成比例的输出电压。

然而，CDS读出通常是破坏性的，即，在感测完成后，光电二极管中没有更多的电荷剩余。此外，可以在每次读出之前执行用于光电荷的新的积分过程。

因此，已经认识到，希望根据像素中的光水平，例如基于非破坏性像素读出，提供对每个像素(或像素组)上的积分时间的自动控制，从而还增加了图像传感器的动态范围。

然而，在已知像素中，可以通过提供深沟槽隔离(DTI)来实现非破坏性像素读出，这增加了制造成本。

众所周知的非破坏性读出在描绘像素1的图1的参考下进行讨论。

在像素1中，光电二极管2嵌入到半导体材料3的N阱中。

像素1进一步包括二氧化硅介电层5下方的钉扎层4、转移栅(transfer gate)6和浮动扩散7，如众所周知的。

此外，提供了包括金属填充物的DTI 8，该金属填充物经由感测晶体管9耦合到光电二极管2，使得光电二极管和DTI之间的寄生电容可以用于通过连接到DTI 8的感测电路10来确定光电二极管中的电压变化。众所周知，像素1设置在p-sup层11上。

然而，已经认识到，就(向下)可扩展性和制造成本而言，可能希望避免使用DTI。

因此，一些实施方式涉及图像元件读出电路，该图像元件读出电路被配置为：感测光敏元件中的电载流子的量，其中，光敏元件被配置为响应于入射到光敏元件上的光而生成电载流子；以及当电载流子的量已经达到预定值时，从光敏元件读取电载流子。

电路可以属于根据本公开适于感测和/或读取电载流子和/或可配置为生成用于感测和/或读取电载流子的控制信号的任何实体或多个实体，例如CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)、FPGA(现场可编程门阵列)等。

图像元件读出电路可以设置在图像元件中或用于图像元件，其可以基于已知的(半导体)技术，例如CMOS(互补金属氧化物半导体)等。

因此，如众所周知的，图像元件可以包括光敏元件，当光入射到光敏元件上时，光敏元件被配置为生成电载流子。例如，光敏元件可以基于光电二极管。

因此，电载流子可以是在光电检测过程中生成的任何电载流子，例如电子、电子空穴对、空穴等。

在生成电载流子之后，可以感测到它们存在于光敏元件中，例如作为电荷、电压、电流等(这将在下面进一步讨论)。如在成像领域中众所周知的，通常在预定量的曝光时间后从图像元件或光敏元件读取电荷。

然而，根据本公开，当感测到光敏元件中的电载流子的量已经达到预定值时，从光敏元件读取电荷。

例如，如果在已知的成像设备中曝光时间太长或太短，则产生的图像可能曝光过度或曝光不足，因为没有确定在哪个时间点读取电载流子是合理的。

因此，根据本公开，只有当光敏元件已经用光充分曝光而不是过度曝光时，才可以读取电荷，从而可以避免曝光过度或曝光不足。

预定值可以是任意值，并且可以取决于如何感测电载流子的量。例如，它可以是相对值(例如，在零和一或零和百分之百之间，例如百分之二十、百分之五十、百分之七十等)或绝对值。

例如，可以基于电容式感测(capacitive sensing)来感测电载流子的量，在这种情况下，预定值可以具有例如电荷的大小。

因此，电载流子的量可以被感测为例如电子的绝对量，或者电荷，或者可以基于任何其他间接或直接方式被感测。

因此，根据本公开，在图像捕获过程期间实现了对光敏元件中的电载流子的非破坏性感测。因此，可以提供像素个体积分时间，从而进一步增加图像传感器的动态范围(在多个像素或图像元件的情况下)和信噪比(例如，通过平均多个读取操作)。根据本公开的非破坏性读出还可以用于对图像元件或像素进行多采样，以测量信号的变化率，从而进一步增加动态范围。此外，可以提供每像素A/D(模拟/数字)转换，例如，通过测量像素达到某个信号阈值水平的时间(通过相应的时钟)。

此外，根据本公开，可以提供图像元件读出电路，图像元件读出电路可以应用于背面照明的图像传感器以及正面照明的图像传感器。

在一些实施方式中，如上所述，基于电容式感测，来感测光敏元件中的电载流子的量。

相对于光敏元件的寄生电容可以用于感测电载流子的量。例如，寄生电容可能存在，因为带电元件(例如，光电二极管)和另一元件具有已知的距离(例如，由于制造而已知)，使得它们可以被建模为电容器，这是众所周知的。因此，寄生电容可以指示光敏元件中存在的电荷或电载流子。

因此，在一些实施方式中，图像元件读出电路进一步被配置为：电容式感测光敏元件中的电压变化，电压变化指示光敏元件中的电载流子的量。例如，可以设想电容式感测，使得基于光电二极管和另一元件(例如，参考电压节点、地、钉扎层、转移栅、浮动扩散、层压层、半导体层、掺杂区等)之间的寄生电容，可以确定光敏元件中的电载流子的量。

电压变化可以是电压下降或电压上升，电压变化可以与光敏元件中的电载流子(从光子累积)的量成比例，或者其中，可以确定任何其他数学关系。

在一些实施方式中，通过相对于参考电压(或地)电容式感测电压，进一步感测电载流子(或光电二极管电荷)的量。例如，光敏元件和参考电压(或地)之间的寄生电容可以用于感测光敏元件中的电载流子。

因此，可以在地和电容器之间提供电容式感测电路或感测节点。基于此，例如，可以确定电压变化。

在一些实施方式中，基于转移栅和光敏元件之间的电容耦合，进一步感测电载流子的量。

众所周知，可以在图像元件中提供转移栅，因此，电容感测电路可以耦合到转移栅。例如，基于这样的配置，光敏元件和转移栅之间的寄生电容可以用于感测光敏元件中的电载流子的量，如本文所讨论的。

在一些实施方式中，基于钉扎层(pinning layer)和光敏元件之间的电容耦合，进一步感测电载流子的量。

众所周知，钉扎层可以设置在图像元件中，因此，它可以与光敏元件电容耦合，使得它可以实现光电二极管电荷的感测，例如，基于电压变化的感测等。

因此，在一些实施方式中，如本文所讨论的，可以基于电容耦合来确定电压变化。

在一些实施方式中，基于阈值电压调制感测(也称为Vth调制感测)来感测电载流子的量。

众所周知，Vth调制感测可以使用自适应感测电压来感测电载流子。感测节点或感测电路的施加电压可以相对于光敏元件中存在的电载流子而改变，使得基于电压(改变)来感测光敏元件中的电载流子的量。这种电压变化将导致Vth调制，这可以转化为相应的光电二极管电荷。

如本文所讨论的，当电载流子的量已经达到预定值时，从光敏元件读取电载流子(用于生成成像信号)。

在一些实施方式中，基于相关双采样从光敏元件读取电载流子。

相关双采样(CDS)是众所周知的，因此省略了对其的广泛讨论。然而，应当注意，本公开不限于任何类型的CDS，因此可以设想模拟或数字CDS。通过使用CDS，可以进一步优化信噪比。

在使用多个图像元件的情况下(例如，在像素阵列中)，在CDS读出之后，每个像素值可以被线性化(或归一化)，例如，通过将像素值除以积分时间。例如，不同的像素可能需要不同的积分时间，直到它们达到预定值，但是如果它们没有被线性化，它们可能被不同地曝光，使得图像中的颜色分布可能劣化。

此外，在多个像素的情况下，每个像素(图像元件)可以设置有行和列选择开关，使得可以实现像素单独读出。可替代地，如果假设相邻像素之间的预定相关性，则可以使用组选择开关。

本公开的概念可进一步与事件驱动技术(例如，总线仲裁)相结合，而不在这方面限制本公开。

一些实施方式涉及图像元件，包括：光敏元件；以及图像元件读出电路，其被配置为：感测光敏元件中的电载流子的量，其中，光敏元件被配置为响应于入射到光敏元件上的光而生成电载流子；以及当电载流子的量已经达到预定值时，从光敏元件读取电载流子，如本文所讨论的。

在一些实施方式中，如本文所讨论的，基于电容式感测来感测光敏元件中的电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，图像元件读出电路进一步被配置为：电容式感测光敏元件中的电压变化，电压变化指示光敏元件中的电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，通过电容式感测相对于参考电压的电压而进一步感测电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，基于转移栅和光敏元件之间的电容耦合进一步感测电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，基于钉扎层和光敏元件之间的电容耦合进一步感测电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，基于阈值电压调制感测来感测电载流子的量。在一些实施方式中，基于相关双采样从光敏元件读取电载流子。

一些实施方式涉及一种图像元件读出方法，包括：感测光敏元件中的电载流子的量，其中，光敏元件被配置为响应于入射到光敏元件上的光而生成电载流子；以及当电载流子的量已经达到预定值时，从光敏元件读取电载流子，如本文所讨论的。

可以用根据本公开的图像元件读出电路来执行图像元件读出方法。

在一些实施方式中，如本文所讨论的，图像元件读出方法进一步包括：电容式感测光敏元件中的电压变化，电压变化指示光敏元件中的电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，基于阈值电压调制感测来感测电载流子的量。在一些实施方式中，如本文所讨论的，基于相关双采样从光敏元件读取电载流子。

在一些实施方式中，本文描述的方法还被实施为计算机程序，当在计算机和/或处理器上执行时，使计算机和/或处理器执行该方法。在一些实施方式中，还提供了一种在其中存储有计算机程序产品的非暂时性计算机可读记录介质，该计算机程序产品在由诸如上述处理器的处理器执行时使得执行本文所描述的方法。

返回图2，在电路图中描绘了根据本公开的图像元件20。

图像元件20包括光电二极管21。象征性地，为了描绘相对于光电二极管存在的寄生电容，描绘了耦合到感测电路23(也称为非破坏性光电二极管感测电路)的电容器22。

然而，如本文所讨论的，在一些实施方式中，由于带电元件，可能存在寄生电容，使得没有提供电容器22，并且因此用虚线来描绘。这也适用于即将出现的图3、图6、图7和图8，象征性地描绘了电容器38、66、71和82，用于说明在不提供电容器的情况下电容的存在。

返回图2：感测电路23被配置为通过感测或确定光电二极管21和另一元件(在此未被指定)之间的寄生电容电压降来感测光电二极管21中的电载流子的量，但将在下面的图中讨论。

图像元件20进一步包括选择电路24，使得当感测到电载流子的量已经达到预定值时，可以读取光电二极管。

选择电路包括耦合到光电二极管21的转移栅开关25。转移栅开关25进一步耦合到重置(reset，复位)栅开关26和源极跟随器SF 27。

晶体管SF 27进一步通过一个引脚耦合到列选择开关28，并且通过另一引脚耦合到行选择开关29。

在该实施方式中，图像元件读出电路包括感测电路23和选择电路24。

捕获序列可以如下执行(这将在伪代码中描述)：

I)基于转移栅开关25和重置栅开关26的脉冲来重置光电二极管21；

II)将i设置为零；

III)积分光；

IV)增量i；

V)非破坏性地感测光电二极管21；

VI)如果光电二极管信号>阈值；

VII)然后转到IX)；

VIII)否则转到III)；

IX)CDS读出光电二极管21；

X)通过除以i线性化像素值。

图3描绘了包括根据本公开的图像元件30读出电路的图像元件。

图像元件30包括嵌入到半导体材料32的N阱中的光电二极管31。图像元件30进一步包括钉扎层33、转移栅34和浮动扩散35。浮动扩散35进一步与重置开关36耦合，重置开关耦合到电源电压VDD 37。

在光电二极管31和参考电压VREF(在一些实施方式中，参考电压可以接地)之间，描绘了象征性电容器38，用于说明寄生电容的存在。此外，在接地GND(可选的VREF)和感测节点40之间设置感测开关39，用于确定由带负电荷的光电子的累积引起的寄生电容电压降，如本文所讨论的。众所周知，图像元件30设置在p-sup层41上。

图像元件30可以用图像元件读出方法50来操作，这将在下文参考图4和图5中讨论。

图4描绘了类似于上面给出的伪代码的图像元件读出方法50的流程图。通常，上面给出的伪代码或图像元件读出方法50可以应用于本公开的所有实施方式，并且不限于图2和图3的实施方式。

在51，光电二极管31被重置，感测节点40被预设为Vref，并且迭代值i被设置为零。

在52，重置开关36关断(即，断开)，使得感测节点40浮动(即，具有高阻抗)。

在53，积分光(信号)，使得迭代i在54处递增。

在55，测量感测节点40处的电压(V_sense)。在56，将测量的电压与阈值电压V_th进行比较。如果V_sense小于或等于V_th，则在53处再次积分光，依此类推。

在57，如果V_sense大于V_th，则如本文所讨论的，用CDS读取光电二极管。

此外，基于i值对电载流子进行线性化(即，测量的信号除以迭代次数)，使得在多个像素或图像元件的情况下，光信号大致达到相同的水平(在其他图像元件不需要同样多或更多迭代的情况下)。

然而，在一些实施方式中，没有必要在最大积分时间(这可以取决于传感器帧速率)达到Vth。在这种情况下，可以由“常规”CD读取图像元件。

图5描绘了用于说明根据本公开的感测的示图60。

在示图60的纵坐标上，描绘光电二极管的电压V_PD与横坐标上的时间的关系。

此外，描绘了迭代i，其中确定感测节点上的电压V_pin(或V_sense)。在采集开始时，V_pin被设置为GND，如本文所讨论的。应当注意，如果测量了V_sense，它可以向下移动绝对值，即，可以从GND而不是V_pin开始。

在第N次积分之后，确定测量的电压V_PD已经达到低于阈值V_th的值，从而读取光电二极管。当已经读取光电二极管时，光电二极管被重置，如本文所讨论的。在执行第N次之后的测量时间被命名为T_int(积分时间)，使得在达到饱和之前读取光电二极管。

图6描绘了根据本公开的图像元件65的另一实施方式，其中确定光电二极管和转移栅之间的寄生电容。

图像元件65与图像元件30的不同之处在于，寄生电容66存在于光电二极管和转移栅67之间，而不是接地。因此，相应的感测电路68耦合到转移栅67，使得相应的寄生电容可以用于感测光电二极管中的电载流子的量，如本文所讨论的。

其余元件对应于图像元件30，从而省略了对其的重复描述。

图像元件65的获取过程或捕获过程可以根据以下伪代码来执行：

I)基于转移栅的脉冲将光电二极管重置到V_pin；

II)光电二极管曝光阶段；

转移栅浮动(但足够低以保持关闭)，

光电二极管累积电子(Q_PD)，

转移栅下降对应的电压，

III)光电二极管感测阶段：测量转移栅上的压降，并与阈值进行比较。

图7描绘了根据本公开的图像元件70的另一实施方式，其与图像元件30和65的不同之处在于，在光电二极管72和钉扎层73之间使用了寄生电容71。因此，感测电路74耦合到钉扎层73。

其余元件与本文讨论的其他图像元件相似，从而省略了对其的重复描述。

图像元件70的获取过程或捕获过程可以根据以下伪代码来执行：

I)光电二极管重置阶段；

将光电二极管72设置为V_pin；

基于光电二极管电压(即，V_pin)设置寄生电容71；

将P+层75预充电至GND；

II)光电二极管曝光阶段；

P+层浮动；

光电二极管累积电子(Q_PD)；

P+层下降对应的电压；

III)光电二极管感测阶段：测量P+层上的压降，并与阈值进行比较。

图8在框图中描绘了利用CDS(作为根据本公开的图像元件读出电路的实施方式)的感测电路80的实施方式。

感测电路80包括比较器81，比较器将预充电电压V_预充电与阈值电压V_th进行比较，从而使用相对于光电二极管83的寄生电容。当V_预充电和V_th之间的差达到预定值时，停止积分并读出光电二极管83。

图9描绘了根据本公开的用于基于Vth调制感测读出光敏元件91的图像元件读出电路90的另一实施方式，如本文所讨论的。

感测电路SENS设置在光敏元件91旁边，光敏元件提供有电源电压VDD，该电源电压耦合到第一浮动扩散节点FD。第二浮动扩散节点FD经由二极管与接地耦合的信号线电压VSL耦合。此外，第二浮动扩散节点FD与第三浮动扩散节点FD耦合，第三浮动扩散节点FD与重置晶体管耦合，其中，重置晶体管提供有VDD。

此外，第三浮动扩散与放大晶体管AMP(提供有VDD)耦合，其中，放大晶体管AMP进一步与选择晶体管SEL耦合，选择晶体管SEL与二极管耦合。在SENS和第三浮动扩散之间还进一步设置有转移栅TG。

图10描绘了图像元件读出电路90的平面图，从而示出了感测电路SENS设置在光敏元件91的顶部，并且光电二极管91经由转移栅TG耦合到浮动扩散FD。其余元件对应于参考图9讨论的元件，并且省略了对其的重复描述。

图11描绘了时序图100，根据该时序图，控制信号被施加到图像元件读出电路90。在第一持续时间T1的第一时间点t1，感测信号作为非破坏性信号被施加到感测电路SENS。

根据参考图9至图11描述的实施方式，提供了非破坏性感测的电可靠性，其中，优化了光电二极管和感测电路之间的耦合。

在位于t1之后的第二时间点t2(当T1结束时)，在持续时间T2向RST施加重置信号，在持续时间T3向SEL施加选择信号。

大约在T3的中间，达到重置水平。在T3的最后一部分中，到达时间点t3，在该时间点，向转移栅施加脉冲，大致为持续时间T2。

如果需要重置，则在T3结束之后的时间点t4，向SENS施加持续时间T2的脉冲，之后，在持续时间T3再次向SEL施加信号以达到信号水平。

在这样的读出序列的结束，在TG和SENS之间存在负偏置。

图12描绘了根据本公开的图像元件读出方法110的另一实施方式。

在111，电容式感测光敏元件中的电压变化，电压变化指示光敏元件中的电载流子的量，如本文所讨论的。

在112，基于CDS从光敏元件读取电载流子，如本文所讨论的。

图13描绘了根据本公开的图像元件读出方法120的另一实施方式。

在121，基于Vth调制感测来感测光敏元件中的电载流子的量，如本文所讨论的。

在122，基于CDS从光敏元件读取电载流子，如本文所讨论的。

图14是根据本公开的半导体设备130的截面图。

半导体设备130包括光电二极管PD，其设置在根据本公开的片上滤色器OCCF(其上设置有片上透镜OCL)和读出电路131之间。

读出电路131包括连接到浮动扩散133的垂直信号线VSL 132。在垂直信号线132旁边，设置有感测电路节点134，感测电路节点134适于电容式感测光电二极管PD中的电载流子，如本文所讨论的。此外，参考电压VDD节点135设置在感测电路节点134旁边，参考电压VDD节点135连接到衬底边界136下方的另一浮动扩散和衬底边界136上方的另一浮动扩散。

在参考电压VDD节点135旁边，如上所述，设置有重置晶体管RST 137，并且在复位晶体管旁边设置有转移栅138。大致在转移栅138下方是浮动扩散139。此外，连接146设置在浮动扩散139的上方，参考电压VDD连接到该连接146。浮动扩散进一步与放大器140连接。转移栅138延伸到第一硅衬底143中，其由相同的阴影线指示。

在转移栅旁边，设置有选择晶体管SEL 141，并且在选择晶体管SEL 141旁边，设置有另一垂直信号线VSL 142，其与衬底边界136上方的浮动扩散连接。

光电二极管PD设置在第一硅衬底143中，读出电路设置在第二硅衬底144上，并且通过相应的连接导体部分延伸穿过第二硅衬底144。浮动扩散设置在相应硅衬底中，即，在第二硅衬底144中设置位于衬底边界136上方的浮动扩散，并且在第一硅衬底143中设置位于衬底边界136下方的浮动扩散，等等。

此外，在光电二极管的左侧和右侧，在第一半导体衬底143中，设置RDTI(后部深沟槽隔离)145，其中，这种RDTI也可以应用于其他实施方式中。

图15从两个不同的角度描绘了根据本公开的半导体设备150(的一部分)的另一实施方式。在顶部，示出了在SiO₂绝缘部分152旁边设置浅沟槽隔离151的示图。

在底部，示出了在浅沟槽隔离之间设置垂直转移栅153，使得可以基于垂直转移栅和光电二极管(未示出)之间的电容式感测来感测电压。

通常，在本公开的实施方式中，STI(浅沟槽隔离)和VTG(垂直转移栅)可以单独应用或一起应用。

根据本公开的实施方式的技术适用于各种产品。例如，根据本公开的实施方式的技术可以被实施为移动体中包括的设备，该移动体是汽车、电动车辆、混合动力电动车辆、摩托车、自行车、个人移动车辆、飞机、无人机、船舶、机器人、工程机械、农业机械(拖拉机)等中的任何一种。

图16是描绘作为可以应用根据本公开的实施方式的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统7000的示意性配置的示例的框图。车辆控制系统7000包括经由通信网络7010彼此连接的多个电子控制单元。在图16所描绘的示例中，车辆控制系统7000包括驱动系统控制单元7100、车身系统控制单元7200、电池控制单元7300、车外信息检测单元7400、车内信息检测单元7500以及集成控制单元7600。例如，将多个控制单元彼此连接的通信网络7010可以是符合任意标准的车载通信网络，例如控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)、局域网(LAN)或FlexRay(注册商标)等。

每个控制单元包括：根据各种程序执行运算处理的微型计算机；存储部，其存储由微型计算机执行的程序、用于各种操作的参数等；以及驱动各种控制目标设备的驱动电路。每个控制单元进一步包括：网络接口(I/F)，用于经由通信网络7010与其他控制单元执行通信；以及通信I/F，用于通过有线通信或无线电通信与车辆内外的设备、传感器等通信。图16中所示的集成控制单元7600的功能配置包括微型计算机7610、通用通信I/F7620、专用通信I/F 7630、定位部7640、信标接收部7650、车载装置I/F 7660、声音/图像输出部7670、车载网络I/F 7680和存储部7690。类似地，其他控制单元包括微型计算机、通信I/F、存储部等。

驱动系统控制单元7100根据各种程序来控制与车辆的驱动系统相关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元7100用作驱动力产生设备的控制设备，该驱动力产生设备用于产生车辆的驱动力，例如内燃机，驱动电机等，用于将驱动力传递至车轮的驱动力传递机构，用于调节车辆的转向角的转向机构，用于产生车辆的制动力的制动设备等。驱动系统控制单元7100可以具有作为防抱死制动系统(ABS)或电子稳定控制(ESC)等的控制设备的功能。

驱动系统控制单元7100与车辆状态检测部7110连接。例如，车辆状态检测部7110包括检测车身的轴向旋转运动的角速度的陀螺仪传感器、检测车辆的加速度的加速度传感器、以及用于检测加速器踏板的操作量、制动踏板的操作量、方向盘的转向角、发动机速度或车轮的旋转速度等的传感器中的至少一个。驱动系统控制单元7100使用从车辆状态检测部7110输入的信号执行元素处理，并且控制内燃机、驱动马达、电动转向设备、制动设备等。

车身系统控制单元7200根据各种程序控制设置在车身上的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元7200用作用于无钥匙进入系统，智能钥匙系统，电动车窗设备或诸如前照灯，倒车灯，制动灯，转向灯，雾灯等的各种灯的控制设备。在这种情况下，可以将代替钥匙的从移动设备发送的无线电波或各种开关的信号输入到车身系统控制单元7200。车身系统控制单元7200接收这些输入的无线电波或信号，并控制车辆的门锁设备，电动窗设备，灯等。

电池控制单元7300根据各种程序控制作为驱动电机的电源的二次电池7310。例如，从包括二次电池7310的电池设备向电池控制单元7300提供关于电池温度、电池输出电压、电池中剩余电量等的信息。电池控制单元7300使用这些信号来执行运算处理，并且执行用于调节二次电池7310的温度的控制或者控制提供给电池设备的冷却设备等。

车外信息检测单元7400检测关于包括车辆控制系统7000的车辆外部的信息。例如，车外信息检测单元7400与成像部7410和车外信息检测部7420中的至少一个连接。成像部7410包括飞行时间(ToF)相机、立体相机、单目相机、红外相机和其他相机中的至少一个。例如，车外信息检测部7420包括用于检测当前大气条件或天气条件的环境传感器和用于检测包括车辆控制系统7000的车辆外围的另一车辆、障碍物、行人等的外围信息检测传感器中的至少一个。

例如，环境传感器可以是检测降雨的降雨传感器、检测雾的雾传感器、检测日照程度的日照传感器和检测降雪的雪传感器中的至少一个。外围信息检测传感器可以是超声波传感器、雷达设备和LIDAR设备(光检测和测距设备，或激光成像检测和测距设备)中的至少一个。成像部7410和车外信息检测部7420中的每一个可以被提供作为独立的传感器或设备，或者可以被提供作为其中集成了多个传感器或设备的设备。

图17描绘了成像部7410和车外信息检测部7420的安装位置的示例。例如，成像部7910、7912、7914、7916和7918布置在车辆7900的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部的挡风玻璃的上部上的位置中的至少一个位置处。设置在前鼻的成像部7910和设置在车辆内部的挡风玻璃的上部的成像部7918主要获得车辆7900的前方的图像。设置在侧视镜的成像部7912和7914主要获得车辆7900的侧面的图像。设置在后保险杠或后门的成像部7916主要获得车辆7900后方的图像。设置在车辆内部的挡风玻璃的上部的成像部7918主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。

顺便提及，图17描绘了相应成像部7910、7912、7914和7916的拍摄范围的示例。成像范围a表示设置在前鼻的成像部7910的成像范围。成像范围b和c分别表示设置在侧视镜的成像部7912和7914的成像范围。成像范围d表示设置在后保险杠或后门的成像部7916的成像范围。例如，通过叠加由成像部7910、7912、7914和7916成像的图像数据，可以获得从上方观看的车辆7900的鸟瞰图像。

例如，设置到车辆7900的前部、后部、侧面和角落以及车辆内部的挡风玻璃的上部的车外信息检测部7920、7922、7924、7926、7928和7930可以是超声波传感器或雷达设备。例如，设置在车辆7900的前鼻、后保险杠、车辆7900后门和车辆内部的挡风玻璃上部的车外信息检测部7920、7926和7930可以是LIDAR设备。这些车外信息检测部7920至7930主要用于检测前方车辆、行人、障碍物等。

回到图16继续描述。车外信息检测单元7400使成像部7410对车辆外部的图像成像，并且接收成像的图像数据。此外，车外信息检测单元7400从连接到车外信息检测单元7400的车外信息检测部7420接收检测信息。在车外信息检测部7420是超声波传感器、雷达设备或LIDAR设备的情况下，车外信息检测单元7400发射超声波、电磁波等，并且接收接收到的反射波的信息。基于接收到的信息，车外信息检测单元7400可以执行检测诸如人、车辆、障碍物、标志、道路上的字符等的物体的处理，或者检测到其距离的处理。基于接收到的信息，车外信息检测单元7400可以执行识别降雨、雾、路面状况等的环境识别处理。基于接收到的信息，车外信息检测单元7400可以计算到车辆外部的物体的距离。

此外，基于接收到的图像数据，车外信息检测单元7400可以执行识别人、车辆、障碍物、标志、路面上的字符等的图像识别处理，或者检测到其距离的处理。车外信息检测单元7400可以对接收到的图像数据进行诸如失真校正、对准等的处理，并组合由多个不同成像部7410成像的图像数据，以生成鸟瞰图像或全景图像。车外信息检测单元7400可以使用由包括不同成像部的成像部7410成像的图像数据来执行视点转换处理。

车内信息检测单元7500检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元7500例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部7510连接。驾驶员状态检测部7510可以包括对驾驶员进行成像的相机、检测驾驶员生物信息的生物传感器、收集车辆内部声音的麦克风等。例如，生物传感器布置在座椅表面、方向盘等中，并检测坐在座椅中的乘客或握着方向盘的驾驶员的生物信息。车内信息检测单元7500基于从驾驶员状态检测部7510输入的检测信息，可以计算出驾驶员的疲劳度或驾驶员的集中度，或者可以确定驾驶员是否在打瞌睡。车内信息检测单元7500可以对通过收集声音获得的音频信号进行诸如噪声消除处理等的处理。

集成控制单元7600根据各种程序控制车辆控制系统7000内的一般操作。集成控制单元7600与输入单元7800连接。输入单元7800由能够由乘客输入操作的设备实现，例如，触摸面板、按钮、麦克风、开关、杆等。可以向集成控制单元7600提供通过对通过麦克风输入的语音进行语音识别而获得的数据。例如，输入单元7800可以是使用红外线或其它无线电波的遥控设备，或者外部连接的设备，例如支持车辆控制系统7000的操作的移动电话或个人数字助理(PDA)等。例如，输入单元7800可以是相机。在这种情况下，乘客可以通过手势输入信息。可替代地，可以输入通过检测乘客佩戴的可穿戴设备的移动而获得的数据。此外，例如，输入单元7800可以包括输入控制电路等，该输入控制电路基于由乘客等使用上述输入单元7800输入的信息生成输入信号，并且将生成的输入信号输出到集成控制单元7600。乘客等通过操作输入单元7800向车辆控制系统7000输入各种数据或给出用于处理操作的指令。

存储部7690可以包括存储由微型计算机执行的各种程序的只读存储器(ROM)和存储各种参数、操作结果、传感器值等的随机存取存储器(RAM)。此外，存储部7690可以由磁存储设备实现，例如硬盘驱动器(HDD)等、半导体存储设备、光存储设备、磁光存储设备等。

通用通信I/F 7620是一种通用通信I/F，其协调与外部环境7750中存在的各种装置的通信。通用通信I/F 7620可以实现蜂窝通信协议，例如全球移动通信系统(GSM(注册商标))、全球微波接入互操作性(WiMAX(注册商标))、长期演进(LTE(注册商标))、高级LTE(LTE-A)等，或者另一无线通信协议，例如无线LAN(也称为无线保真(Wi-Fi(注册商标))、蓝牙(注册商标)等。例如，通用通信I/F7620可以经由基站或接入点连接到外部网络(例如，互联网、云网络或公司专用网络)上的装置(例如，应用服务器或控制服务器)。此外，例如，通用通信I/F 7620可以通过使用对等(P2P)技术连接到存在于车辆附近的终端(例如，该终端是驾驶员、行人或商店的终端或机器类型通信(MTC)终端)。

专用通信I/F 7630是一种支持开发用于车辆中的通信协议的通信I/F。例如，专用通信I/F 7630可以实现标准协议，例如车辆环境中的无线接入(WAVE)，其是电气和电子工程师协会(IEEE)802.11p作为较低层和IEEE 1609作为较高层的组合、专用短程通信(DSRC)或蜂窝通信协议。专用通信I/F 7630通常将V2X通信作为包括车辆和车辆之间的通信(车辆到车辆)、道路和车辆之间的通信(车辆到基础设施)、车辆和住宅之间的通信(车辆到住宅)以及行人和车辆之间的通信(车辆到行人)中的一个或多个的概念来执行。

例如，定位部7640通过接收来自GNSS卫星的全球导航卫星系统(GNSS)信号(例如，来自全球定位系统(GPS)卫星的GPS信号)来执行定位，并且生成包括车辆的纬度、经度和高度的位置信息。顺便提及，定位部7640可以通过与无线接入点交换信号来识别当前位置，或者可以从诸如移动电话、个人手持电话系统(PHS)或具有定位功能的智能电话的终端获得位置信息。

例如，信标接收部7650接收从在道路等上安装的无线电台发送的无线电波或电磁波，从而获得关于当前位置、拥堵、封闭道路、必要时间等的信息。顺便提及，信标接收部7650的功能可以包括在上述专用通信I/F7630中。

车载装置I/F 7660是协调微型计算机7610和存在于车辆内部的各种车载装置7760之间的连接的通信接口。车载装置I/F 7660可以使用无线通信协议建立无线连接，例如无线LAN、蓝牙(注册商标)、近场通信(NFC)或无线通用串行总线(WUSB)。此外，车载装置I/F 7660可以经由连接终端(图中未示出)(以及必要时的电缆)通过通用串行总线(USB)、高清多媒体接口(HDMI(注册商标))、移动高清晰度链路(MHL)等建立有线连接。例如，车载装置7760可以包括由乘客拥有的移动设备和可穿戴设备、以及被携带到车辆中或附接到车辆的信息设备中的至少一个。车载装置7760还可以包括搜索到任意目的地的路径的导航设备。车载装置I/F 7660与这些车载装置7760交换控制信号或数据信号。

车载网络I/F 7680是调解微型计算机7610和通信网络7010之间的通信的接口。车载网络I/F 7680根据通信网络7010支持的规定协议发送和接收信号等。

集成控制单元7600的微型计算机7610根据基于经由通用通信I/F7620、专用通信I/F 7630、定位部7640、信标接收部7650、车载装置I/F 7660和车载网络I/F 7680中的至少一个获得的信息的各种程序来控制车辆控制系统7000。例如，基于获得的关于车辆的内部和外部的信息，微型计算机7610可以计算驱动力生成设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并且向驱动系统控制单元7100输出控制命令。例如，微型计算机7610可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)功能的协作控制，该功能包括为车辆避免碰撞或减轻冲击，基于跟随距离的驾驶，保持车速的驾驶，车辆碰撞的警告，车辆偏离车道的警告等。此外，微型计算机7610可以基于获得的关于车辆周围的信息，通过控制驱动力生成设备，转向机构，制动设备等来执行旨在用于自动驾驶的协同控制，该协同控制使车辆不依赖于驾驶员的操作而自主地行驶。

微型计算机7610可以基于经由通用通信I/F 7620、专用通信I/F 7630、定位部7640、信标接收部7650、车载装置I/F 7660或车载网络I/F 7680中的至少一个获得的信息来生成车辆与物体(例如周围建筑物或人)之间的三维距离信息，并且生成包括关于车辆当前位置的周围信息的本地地图信息。此外，基于所获得的信息，微型计算机7610可以预测危险，例如车辆的碰撞、行人的接近等、或者进入封闭道路等，并生成警告信号。例如，警告信号可以是用于产生警告声音或打开警告灯的信号。

声音/图像输出部7670将声音和图像中的至少一个的输出信号发送到能够以视觉或听觉方式将信息通知给车辆的乘员或车辆的外部的输出设备。在图16的示例中，音频扬声器7710，显示部7720和仪表板7730被示出为输出设备。例如，显示部7720可以包括车载显示器和平视显示器中的至少一个。显示部7720可以具有增强现实(AR)显示功能。输出设备可以是这些设备之外的其他设备，并且可以是另一设备，例如耳机、可穿戴设备，例如由乘客佩戴的眼镜型显示器等、投影仪、灯等。在输出设备是显示设备的情况下，显示设备以诸如文本、图像、表格、图表等的各种格式可视地显示由微型计算机7610执行的各种类型的处理获得的结果或从其它控制单元接收的信息。此外，在输出设备是音频输出设备的情况下，音频输出设备将由再现的音频数据或声音数据等构成的音频信号转换为模拟信号，以音频地方式输出模拟信号。

顺便提及，在图16所示的示例中，经由通信网络7010彼此连接的至少两个控制单元可以集成到一个控制单元中。可替代地，每个单独的控制单元可以包括多个控制单元。此外，车辆控制系统7000可以包括图中未示出的另一控制单元。此外，由上述描述中的一个控制单元执行的部分或全部功能可以被分配给另一个控制单元。也就是说，只要经由通信网络7010发送和接收信息，就可以由任何控制单元执行预定的运算处理。类似地，连接到控制单元之一的传感器或设备可以连接到另一个控制单元，并且多个控制单元可以经由通信网络7010相互发送和接收检测信息。

顺便提及，根据本公开的用于实现图像元件读出电路的功能的计算机程序可以在控制单元等中的一个中实施。此外，还可以提供存储这样的计算机程序的计算机可读记录介质。记录介质例如是磁盘、光盘、磁光盘、闪存等。此外，例如，可以在不使用记录介质的情况下经由网络分发上述计算机程序。

在上述车辆控制系统7000中，根据本公开的图像元件读出电路可以应用于图16中描绘的应用示例中的集成控制单元7600。

此外，根据本公开的图像元件读出电路的至少一部分可以在用于图16中描绘的集成控制单元7600的模块(例如，用单个管芯形成的集成电路模块)中实现。可替代地，可以由图16中描绘的车辆控制系统7000的多个控制单元来实现根据本公开的图像元件读出电路。

应该认识到，实施方式以方法步骤的示例性顺序描述了方法。然而，仅仅是出于说明的目的而给出方法步骤的特定顺序，不应该被解释为具有约束力。例如，图4的实施方式中53和54的顺序可以互换。方法步骤顺序的其他改变对于本领域技术人员来说可能是显而易见的。

在一些实施方式中，还提供了一种在其中存储有计算机程序产品的非暂时性计算机可读记录介质，该计算机程序产品在由诸如上述处理器的处理器执行时使得执行所描述的方法。

如果没有另外说明，则在本说明书中描述的和在所附权利要求中要求的所有单元和实体可以实施为集成电路逻辑，例如在芯片上，并且如果没有另外说明，可以通过软件实施由这些单元和实体提供的功能。

就至少部分使用软件控制的数据处理装置来实现上述公开的实施方式而言，将会理解，提供这种软件控制的计算机程序以及提供这种计算机程序的传输、存储或其他介质被设想为本公开的方面。

注意，本技术也可以被配置为如下所述。

(1)图像元件读出电路，被配置为：

感测光敏元件中的电载流子的量，其中，所述光敏元件被配置为响应于入射到所述光敏元件上的光而生成所述电载流子；以及

当所述电载流子的量已经达到预定值时，从所述光敏元件读取所述电载流子。

(2)根据(1)所述的图像元件读出电路，其中，基于电容式感测，来感测所述光敏元件中的所述电载流子的量。

(3)根据(2)所述的图像元件读出电路，进一步被配置为：

电容式感测所述光敏元件中的电压变化，所述电压变化指示所述光敏元件中的所述电载流子的量。

(4)根据(2)或(3)所述的图像元件读出电路，其中，通过相对于参考电压电容式感测电压，进一步感测所述电载流子的量。

(5)根据(2)或(3)所述的图像元件读出电路，其中，基于转移栅和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

(6)根据(2)或(3)所述的图像元件读出电路，其中，基于钉扎层和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

(7)根据(1)所述的图像元件读出电路，其中，基于阈值电压调制感测，来感测所述电载流子的量。

(8)根据(1)至(7)中任一项所述的图像元件读出电路，其中，基于相关双采样从所述光敏元件读取所述电载流子。

(9)一种成像元件，包括：

光敏元件；以及

图像元件读出电路，被配置为：

感测所述光敏元件中的电载流子的量，其中，所述光敏元件被配置为响应于入射到所述光敏元件上的光而生成所述电载流子；以及

当所述电载流子的量达到预定值时，从所述光敏元件读取所述电载流子。

(10)根据(9)所述的图像元件，其中，基于电容式感测，来感测所述光敏元件中的所述电载流子的量。

(11)根据(10)所述的图像元件，其中，所述图像元件读出电路进一步被配置为：

(12)根据(10)或(11)所述的图像元件，其中，通过相对于参考电压电容式感测电压，进一步感测所述电载流子的量。

(13)根据(10)或(11)所述的图像元件，其中，基于转移栅和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

(14)根据(10)或(11)所述的图像元件，其中，基于钉扎层和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

(15)根据(9)所述的图像元件，其中，基于阈值电压调制感测，来感测所述电载流子的量。

(16)根据(9)至(15)中任一项所述的图像元件，其中，基于相关双采样从所述光敏元件读取所述电载流子。

(17)一种图像元件读出方法，所述方法包括：

(18)根据(17)所述的图像元件读出方法，进一步包括：

(19)根据(17)所述的图像元件读出方法，其中，基于阈值电压调制感测，来感测所述电载流子的量。

(20)根据(17)至(19)中任一项所述的图像元件读出方法，其中，基于相关双采样从所述光敏元件读取所述电载流子。

Claims

1.一种图像元件读出电路，所述图像元件读出电路被配置为：

2.根据权利要求1所述的图像元件读出电路，其中，基于电容式感测，来感测所述光敏元件中的所述电载流子的量。

3.根据权利要求2所述的图像元件读出电路，进一步被配置为：

4.根据权利要求2所述的图像元件读出电路，其中，通过相对于参考电压而电容式感测电压，来进一步感测所述电载流子的量。

5.根据权利要求2所述的图像元件读出电路，其中，基于转移栅和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

6.根据权利要求2所述的图像元件读出电路，其中，基于钉扎层和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

7.根据权利要求1所述的图像元件读出电路，其中，基于阈值电压调制感测，来感测所述电载流子的量。

8.根据权利要求1所述的图像元件读出电路，其中，基于相关双采样从所述光敏元件读取所述电载流子。

9.一种图像元件，包括：

光敏元件；以及

图像元件读出电路，被配置为：

10.根据权利要求9所述的图像元件，其中，基于电容式感测，来感测所述光敏元件中的所述电载流子的量。

11.根据权利要求10所述的图像元件，其中，所述图像元件读出电路进一步被配置为：

12.根据权利要求10所述的图像元件，其中，通过相对于参考电压而电容式感测电压，来进一步感测所述电载流子的量。

13.根据权利要求10所述的图像元件，其中，基于转移栅和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

14.根据权利要求10所述的图像元件，其中，基于钉扎层和所述光敏元件之间的电容耦合，进一步感测所述电载流子的量。

15.根据权利要求9所述的图像元件，其中，基于阈值电压调制感测，来感测所述电载流子的量。

16.根据权利要求9所述的图像元件，其中，基于相关双采样从所述光敏元件读取所述电载流子。

17.一种图像元件读出方法，所述图像元件读出方法包括：

18.根据权利要求17所述的图像元件读出方法，进一步包括：

19.根据权利要求17所述的图像元件读出方法，其中，基于阈值电压调制感测，来感测所述电载流子的量。

20.根据权利要求17所述的图像元件读出方法，其中，基于相关双采样从所述光敏元件读取所述电载流子。