CN209731402U - 图像传感器像素 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种图像传感器像素。所述图像传感器像素被配置成响应于光而生成图像信号，所述图像传感器像素包括：第一光敏区，所述第一光敏区被配置成响应于所述光而生成电荷；第二光敏区，所述第二光敏区被配置成响应于所述光而生成电荷；和浮动扩散区，所述浮动扩散区被配置成响应于所述光而生成电荷，其中所述浮动扩散区耦接到所述第一光敏区和所述第二光敏区，并且其中所述第一光敏区和所述第二光敏区关于所述浮动扩散区对称。

Description

图像传感器像素
技术领域
本实用新型整体涉及图像传感器像素，并且更具体地讲，涉及包括多于一个光敏区并且能够具有高动态范围功能的成像传感器像素。
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。
典型的图像像素包含光电二极管，用于响应于入射光而生成电荷。常规成像系统可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有较亮部分和较暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为低动态范围图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。图像传感器可因此配备有高动态范围(HDR)功能，其中用图像传感器在不同曝光时间捕获多个图像。随后将这些图像组合成高动态范围图像，但这样可引入运动伪影，尤其是在具有非静态对象的动态场景中。
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。
实用新型内容
本申请提供多种图像传感器像素，具有改进的成像性能。
根据第一方面，提供一种图像传感器像素，被配置成响应于光而生成图像信号，所述图像传感器像素包括：第一光敏区，所述第一光敏区被配置成响应于所述光而生成电荷；第二光敏区，所述第二光敏区被配置成响应于所述光而生成电荷；和浮动扩散区，所述浮动扩散区被配置成响应于所述光而生成电荷，其中所述浮动扩散区耦接到所述第一光敏区和所述第二光敏区，并且其中所述第一光敏区和所述第二光敏区关于所述浮动扩散区对称。
根据第二方面，提供一种图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：具有相对的第一表面和第二表面的半导体衬底；所述半导体衬底中的从所述第一表面朝向所述第二表面延伸并具有第一高度的第一光敏区；所述半导体衬底中的从所述第一表面朝向所述第二表面延伸并具有第二高度的第二光敏区；所述半导体衬底中的耦接到所述第一光敏区和所述第二光敏区的浮动扩散区，其中所述浮动扩散区从所述第一表面朝向所述第二表面延伸并具有第三高度，其中所述第三高度在所述第一高度的20％之内，并且所述第三高度在所述第二高度的20％之内。
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分割光电二极管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用于对来自图3所示的示例性图像像素的两个分割光电二极管的组合电荷进行采样的时序图。
图5为根据一个实施方案的用于对来自图3所示的示例性图像像素的分割光电二极管中的每一个的电荷进行单独采样的时序图。
图6A为根据一个实施方案的具有两个对称分割光电二极管的示例性图像传感器的顶视图。
图6B为根据一个实施方案的具有三个对称分割光电二极管的示例性图像传感器的顶视图。
图6C为根据一个实施方案的具有四个对称分割光电二极管的示例性图像传感器的顶视图。
图7为根据一个实施方案的具有对称分割光电二极管的示例性图像传感器的侧视图。
具体实施方式
本实用新型的实施方案涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围(HDR)功能的像素的图像传感器。本领域技术人员应该认识到，本实用新型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，并未详细描述所熟知的操作，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。
图像传感器像素可为具有高动态范围能力的双增益像素。具体地讲，图像传感器像素可具有多个光敏区以捕获要在高动态范围方案中使用的多个图像。这些光敏区可以是关于共享的浮动扩散区对称地布置的光电二极管。共享的光电二极管和浮动扩散区可全部被配置成响应于入射到图像传感器像素上的光而生成电荷。
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、汽车成像系统、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闩锁电路，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。
图像传感器16可以被配置成支持全局快门操作(例如，像素22可以在全局快门模式下进行操作)。例如，阵列20中的图像像素22各自可包括光电二极管、浮动扩散区和本地电荷存储区。采用全局快门方案，图像传感器中的所有像素被同时重置。然后，使用电荷转移操作，将每个图像像素的光电二极管中收集的电荷同时转移至相关联的电荷存储区。接着例如可从每个存储区逐行读出数据。
图3是具有多个光敏元件的双增益图像像素的电路图。图像像素300可对应于图2所示的图像像素22中的一者。如图3所示，图像像素300包括光敏元件302-1和302-2(例如，光电二极管)。光敏元件302-1和302-2各自具有分别连接到接地结构304-1和304-2的第一端子。光敏元件302-1的第二端子通过抗光晕晶体管306-1耦接在电压源320和转移晶体管308-1之间。相似地，光敏元件302-2的第二端子通过抗光晕晶体管306-2耦接在电压源320和转移晶体管308-2之间。转移晶体管308-1和308-2两者均耦接到浮动扩散(FD)区310，该浮动扩散区继而耦接到地326。增益选择晶体管314具有耦接到浮动扩散区310的第一端子和耦接到双转换增益电容器312的第二端子。双转换增益电容器312进一步耦接在浮动扩散区310和地326之间。源极跟随器晶体管316具有耦接到转移晶体管308、增益选择晶体管314、浮动扩散区310和重置晶体管318的第一端子的栅极端子。源极跟随器晶体管316还具有耦接在重置晶体管318的第二端子和电压源320之间的第一源极-漏极端子。在这种应用中，每个晶体管被示为具有三个端子：源极、漏极和栅极。每个晶体管的源极和漏极端子可根据晶体管的偏置方式和所用晶体管的类型而改变。为简单起见，源极和漏极端子在本文中称为源极-漏极端子或简称为端子。源极跟随器晶体管316的第二源极-漏极端子通过行选择晶体管322耦接到列输出线324。
转移晶体管308-1和308-2的栅极端子分别接收控制信号TG_L和TG_R。抗光晕晶体管306-1和306-2的栅极端子分别接收控制信号AB_L和AB_R。增益选择晶体管314的栅极端子接收控制信号DCG。重置晶体管318的栅极端子接收控制信号RG。行选择晶体管322的栅极端子接收控制信号SEL。控制信号TG_L、TG_R、AB_L、AB_R、DCG、RG和SEL由行控制电路诸如图2中的行控制电路26提供。
光电二极管302-1和302-2可响应于接收入射的光子而生成电荷(例如，电子)。由光电二极管302收集的电荷量取决于入射光的强度和曝光持续时间(或积分时间)。浮动扩散区310还可响应于入射的光子而生成电荷。例如，浮动扩散区310可为未被覆盖的掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺在硅衬底中掺杂的区)，从而允许入射光进入浮动扩散区。由浮动扩散区310收集的电荷可取决于入射光的强度和积分时间。如果浮动扩散区310的存储容量不足以存储所收集的电荷(例如，在高照度条件下)，则至少一些电荷可溢出并可存储在双转换增益电容器312处。
电荷在光电二极管302和浮动扩散区310处积聚之后，控制信号SEL和DCG可生效以接通行选择晶体管322和增益选择晶体管314(例如，晶体管可通过生效栅极电压而闭合，以提供其源极和漏极端子之间的电连接)，从而允许由浮动扩散区310生成的电荷被读出到列输出线322。由于增益选择晶体管314生效，由浮动扩散区310生成且仍在浮动扩散区310内的电荷和由浮动扩散区310生成且已经溢出到双转换增益电容器312内的电荷均将被读出。在由FD生成的电荷被读出之后，控制信号RG可生效(同时增益选择晶体管314仍生效)，以将浮动扩散区310和双转换增益电容器312重置为已知值(例如，电压Vpix)。浮动扩散区重置值可随后被读出到列输出线324。读出由浮动扩散区310收集的电荷并且和重置值允许噪声和/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。由于在信号读出之后发生重置电压电平读出，所以双采样读出具有不相关的噪声(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。
在浮动扩散区电荷和重置值被读出之后，增益选择晶体管314可失效，并且控制信号RG可再次生效以重置浮动扩散区310，并且重置值可被读出到列输出线322。然后，控制信号TG_L和TG_R可生效，以转移并读出由光电二极管302-1和302-2生成的电荷。控制信号TG_L和TG_R可同时生效，或者它们可单独生效。在由两个光电二极管生成的电荷被读出之后，控制信号SEL可失效，并且控制信号AB_L、AB_R和RG可生效，以重置光电二极管302、浮动扩散区310和双转换增益电容器312。
像素300(图3)可使用增益选择晶体管314和双转换增益电容器312来实现双转换增益模式。具体地讲，像素300可按高转换增益模式以及按低转换增益模式操作。如果增益选择晶体管314被禁用，则像素300将置于高转换增益模式。如果增益选择晶体管314被启用，则像素300将置于低转换增益模式。当增益选择晶体管314接通时，双转换增益电容器312可被切换为使用状态，以向浮动扩散区310提供附加电容。这导致像素300的转换增益较低。当增益选择晶体管314断开时，电容器的附加负载被移除并且像素恢复到相对更高的像素转换增益配置。
虽然图3示出了两个光电二极管302，但这仅仅是示例。如果需要，图像传感器像素300可具有任何数量的光电二极管。例如，图像传感器像素300可具有三个光电二极管、四个光电二极管或者四个以上光电二极管。对于每个光电二极管，图像传感器像素300可包括对应的抗光晕和转移晶体管。
图4示出了根据第一个实施方案的用于操作图3中所示的示例性图像传感器像素的时序图。图4包括周期T0，在该周期期间，控制信号RG可生效以将浮动扩散区310重置为重置电压电平。在重置周期T0期间，控制信号TG_L、TG_R和DCG也可生效，以将光电二极管302和双转换增益电容器312重置到重置电平电压。在重置周期T0期间重置浮动扩散区、光电二极管和双转换增益电容器之后，积分周期T1开始。在积分周期T1期间，光电二极管302可响应于入射到图像传感器像素上的光而生成电荷。相似地，浮动扩散区310可不被入射光屏蔽，并且还可响应于入射光而生成电荷。以这种方式，浮动扩散区310在积分周期期间用作附加光敏区。双转换增益电容器312可收集从浮动扩散区310溢出的任何电荷。一旦超过浮动扩散区310的电荷存储容量，电荷可从浮动扩散区310溢出。例如，这可在高照度情况下发生。
在周期T1之后，图2的图像读出电路28，包括其采样保持电路，可用于对图像像素300中存储的图像信号进行采样。在周期T2期间，控制信号DCG可生效以接通增益选择晶体管314并对存储在双转换增益电容器312和/或浮动扩散节点310中的一者或两者上的信号SHS_FD进行采样。由于增益选择晶体管314被启用，则SHS_FD被读出为低转换增益信号。然后控制信号RG可生效，以重置浮动扩散区310和双转换增益电容器312。然后可对低增益重置值SHR_FD进行采样。尽管通常在相关双采样中的图像信号之前对重置值进行采样，但是低增益重置值SHR_FD可由处理电路(诸如图2的控制和处理电路24)以类似的方式(例如，具有不相关噪声的双采样)使用来降低与信号SHS_FD相关联的噪声和暗电流。在对低增益重置值SHR_FD进行采样之后，控制信号DCG可失效，并且控制信号RG可生效，以将浮动扩散区310重置为重置值。
在浮动扩散区310重置之后，图像读出电路28可用于对由光电二极管302生成的图像信号进行采样。在周期T3期间，相关双采样可用于对由光电二极管302-1和302-2生成的电荷进行采样。首先，可对重置值SHR_PD进行采样。在这种情况下，SHR_PD是高转换增益重置值，因为增益选择晶体管314为关闭(例如，控制信号DCG失效)。控制信号TG_L和TG_R可随后生效，以转移从光电二极管302-1和302-2聚积的电荷，从而允许生成的电荷被采样为高转换增益信号SHS_PD。处理电路24可使用高增益重置值SHR_PD来减少与高增益信号SHS_PD相关联的噪声和暗电流(例如，通过相关双采样操作)。在对高增益信号SHS_PD进行采样之后，控制信号SEL可失效，并且控制信号RG可生效，以重置图像传感器像素。
虽然在图4所示的像素时序图中控制信号TG_L和TG_R同时生效(意味着来自PD_L和PD_R的电荷在读出之前合并)，但这仅仅是示例。如图5所示，控制信号TG_L可在控制信号TG_R之前生效(允许来自PD_L和PD_R的电荷被单独读出)。周期D0、D1和D2对应于图4的周期T0、T1和T2。在周期D0期间，控制信号RG可生效以将浮动扩散区310重置为重置电压电平。控制信号TG_L、TG_R和DCG也可生效，以将光电二极管302和双转换增益电容器312重置到重置电平电压。
在重置周期D0期间重置浮动扩散区、光电二极管和双转换增益电容器之后，积分周期D1开始。在积分周期D1期间，光电二极管302可响应于入射到图像传感器像素上的光而生成电荷。相似地，浮动扩散区310可不被入射光屏蔽，并且还可响应于入射光而生成电荷。以这种方式，浮动扩散区310在积分周期期间用作附加光敏区。双转换增益电容器312可收集从浮动扩散区310溢出的任何电荷。一旦超过浮动扩散区310的电荷存储容量，电荷可从浮动扩散区310溢出。这可在高照度情况下发生。
在周期D1之后，图2的图像读出电路28，包括其采样保持电路，可用于对图像像素300中存储的图像信号进行采样。在周期D2期间，控制信号DCG可生效以接通增益选择晶体管314并对存储在双转换增益电容器312和/或浮动扩散节点310中的一者或两者上的信号SHS_FD进行采样。由于增益选择晶体管314被启用，则SHS_FD被读出为低转换增益信号。然后控制信号RG可生效，以重置浮动扩散区310和双转换增益电容器312。然后可对低增益重置值SHR_FD进行采样。尽管通常在相关双采样中的图像信号之前对重置值进行采样，但是低增益重置值SHR_FD可由处理电路(诸如图2的控制和处理电路24)以类似的方式(例如，具有不相关噪声的双采样)使用来降低与信号SHS_FD相关联的噪声和暗电流。在对低增益重置值SHR_FD进行采样之后，控制信号DCG可失效，并且控制信号RG可生效，以将浮动扩散区310重置为重置值。
在浮动扩散区310重置之后，图像读出电路28可用于对由第一光电二极管302-1生成的图像信号进行采样。在周期D3期间，相关双采样可用于对由第一光电二极管302-1生成的电荷进行采样。首先，可对第一重置值SHR_PD_L进行采样。在这种情况下，SHR_PD_L是高转换增益重置值，因为增益选择晶体管314为关闭(例如，控制信号DCG失效)。控制信号TG_L可随后生效，以转移从第一光电二极管302-1聚积的电荷，从而允许生成的电荷被采样为第一高转换增益信号SHS_PD_L。处理电路24可使用第一增益重置值SHR_PD_L来降低与第一高增益信号SHS_PD_L相关联的噪声和暗电流(例如，通过相关双采样操作)。在第一高增益信号SHS_PD_L读出之后，控制信号RG可生效以重置图像传感器像素。
在由第一光电二极管302-1生成的电荷读出之后，图像读出电路28可用于对由第二光电二极管302-2生成的图像信号进行采样。在周期D4期间，相关双采样可用于对由第二光电二极管302-2生成的电荷进行采样。首先，可对第二重置值SHR_PD_R进行采样。在这种情况下，SHR_PD_R是高转换增益重置值，因为增益选择晶体管314为关闭(例如，控制信号DCG失效)。控制信号TG_R可随后生效，以转移从第二光电二极管302-2聚积的电荷，从而允许生成的电荷被采样为第二高增益信号SHS_PD_R。处理电路24可使用第二高增益重置信号SHR_PD_R来降低与第二高增益信号SHS_PD_R相关联的噪声和暗电流(例如，通过相关双采样操作)。在对第二高增益信号SHS_PD_R进行采样之后，控制信号SEL可失效，并且控制信号RG可生效，以重置图像传感器像素。
如图5的时序图所示，在相位检测应用中，单独读出由第一光电二极管302-1和第二光电二极管302-2生成的电荷可能是有利的。具体地讲，第一光电二极管302-1和第二光电二极管302-2可用单个微透镜覆盖。每个光电二极管可因此对入射光具有不对称响应。可将由第一光电二极管302-1产生的图像信号与由第二光电二极管302-2产生的图像信号进行比较，以确定成像系统的聚焦设置是否合适(或创建成像场景的深度图)。然而，这仅仅是示例。
尽管在图5的示例性时序图中在由第二光电二极管302-2生成的电荷之前对由第一光电二极管302-1生成的电荷进行采样，但这仅仅是示例。如果需要，控制信号TG_R可在周期D3期间生效，并且TG_L可在周期D4期间生效，从而允许由第二光电二极管302-2生成的电荷在由第一光电二极管302-1生成的电荷之前被采样。此外，如果图像传感器像素300包括多于两个光电二极管302，则由光电二极管采集的电荷可被同时采样、被单独采样，或以其他任何组合被采样。
在图4和图5所示的读出方案中，由浮动扩散区310生成的电荷以低转换增益配置(例如，增益选择晶体管314生效)被读出，而由光电二极管302生成的电荷以高转换增益配置(例如，增益选择晶体管314失效)被读出。以这些相应配置读出生成的电荷可能是有益的，因为通常浮动扩散区310可被配置成在高照度条件下检测光。在高照度条件下，高转换增益可能不是必需的。相反，光电二极管302可被配置成在相对低照度条件下检测光。在这些情况下，更高的转换增益可能是有益的。
应当注意，上文结合图4和图5所描述的读出方案仅仅是示例性的。一般来讲，可使用任何期望的读出方案来操作图3所示的像素。
在图3的成像像素中，多个光电二极管(例如，第一光电二极管302-1和第二光电二极管302-2)共享单个电荷存储区(例如，浮动扩散区310)。电荷存储区相对于光电二极管的位置可影响图像传感器性能。例如，如果光电二极管没有关于电荷存储区对称地布置，则光电二极管的一些部分可比其他部分更远离电荷存储区。因此，电荷可以不同的速率从光电二极管转移到电荷存储区。由于一些电荷转移比其他电荷慢，所以这增加了总的电荷转移时间，在电荷读出期间引起图像传感器像素的滞后。因此，关于电荷存储区310对称地布置像素300的光电二极管可能是有利的。
图6A示出了示例性图像像素，诸如图3的图像像素300的顶视图，该图像像素具有关于共享的浮动扩散区对称的分割光电二极管。如图所示，图像传感器像素600可具有耦接到光电二极管602-1和602-2的浮动扩散区604。光电二极管602-1和602-2分别耦接到抗光晕晶体管606-1和606-2。转移晶体管608-1耦接在光电二极管602-1和浮动扩散区604之间。相似地，转移晶体管608-2耦接在光电二极管602-2和浮动扩散区604之间。浮动扩散区604可延伸到区610并且可耦接到增益选择晶体管612和重置晶体管618。源极跟随器晶体管616耦接到重置晶体管618并耦接到行选择晶体管622。例如，图像传感器像素600、光电二极管602、浮动扩散区604、抗光晕晶体管606、转移晶体管608、增益选择晶体管612、源极跟随器晶体管616、重置晶体管618和行选择晶体管622可分别对应于图3的图像像素300、光电二极管302、浮动扩散区310、抗光晕晶体管306、转移晶体管308、增益选择晶体管314、源极跟随器晶体管316、重置晶体管318和行选择晶体管322。
如图6A所示，光电二极管602-1和602-2关于浮动扩散节点604(例如，穿过中心604的602-1和602-2的对称轴)对称。结果，光电二极管602-1和602-2与浮动扩散节点604等距，并且电荷可耗费相同的时间从光电二极管602转移到浮动扩散节点604，与电荷来自哪个光电二极管无关。例如，光电二极管602的中心可与浮动扩散区604的中心等距。如图6A所示，第一光电二极管602-1的中心632-1可与第二光电二极管602-2的中心632-2距浮动扩散区604的中心634相同距离。由于电荷可以以基本相同的时间量从每个光电二极管行进，所以当电荷从像素被读出时，电荷可更快且更有效地行进穿过图像传感器像素600以减少滞后。
像素区620和624可被屏蔽。例如，像素区620和624可设置有隔离结构，以防止入射到图像传感器像素600上的光干扰部件612,616,618和622。隔离结构可包括不同类型的隔离设备，诸如沟槽隔离结构(例如背侧深沟槽隔离(BDTI))、掺杂半导体区、金属阻挡结构或任何其他合适的隔离结构。区620和624可完全未被隔离结构覆盖、完全被隔离结构覆盖，或者部分被隔离结构覆盖。
如图6A所示，光电二极管602和浮动扩散区604未被区域620和624中的隔离结构覆盖。这使得光电二极管602和浮动扩散区604能够基于入射到图像传感器像素600的光而生成电荷(例如，电子)。可提供电容器，诸如图3的双转换增益电容器312，以收集从浮动扩散区604溢出的任何电荷，这可在高照度情况下发生。双转换增益电容器还可与图像传感器像素600的增益选择晶体管622结合使用，以实现低和高转换增益模式。
光电二极管602-1和602-2可被微透镜覆盖，诸如图6A的微透镜626。如图所示，单个微透镜626可覆盖光电二极管602-1和602-2。这种类型的布置方式使得相位检测应用能够进行。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，第一光电二极管602-1、第二光电二极管602-2和浮动扩散区604中的任何一者可被一个或多个微透镜覆盖。
在相位检测应用中，当将第一半像素(例如，光电二极管602中的一者)的图像输出与第二半像素(例如，光电二极管602中的第二者)的图像输出进行比较以确定相位差(例如，用于确定成像系统的聚焦设置是否合适)时，在图像传感器像素600中结合至少一个微透镜可能是有利的。在相位检测应用中可使用多于一个像素，因为可将图像像素阵列中的多个第一半像素与图像像素阵列中的多个第二半像素进行比较。
在图6A中，图像传感器像素600具有关于浮动扩散区604对称的两个光电二极管602-1和602-2。然而，这仅仅是示例。如图6B所示，图像传感器像素可具有关于浮动扩散区654对称的三个光电二极管652-1,652-2和652-3。光电二极管652的中心656(例如，中心656-1、中心656-2和中心656-3)可与浮动扩散区654的中心658等距。或者，如图6C所示，图像传感器像素可具有关于浮动扩散区664对称的四个光电二极管662-1,662-2,662-3和662-4。光电二极管662的中心666(例如，中心666-1、中心666-2、中心666-3和中心666-4)可与浮动扩散区664的中心668等距。然而，这些布置方式仅仅为示例性的。如果需要，图像传感器像素可具有多于四个光电二极管。优选地，在这些情况的每种情况中，光电二极管关于共享的浮动扩散区对称，从而允许电荷更快地行进穿过图像传感器像素600，减少滞后并改善像素的读出。例如，在包括四个光电二极管的图像传感器像素中，光电二极管中的每一个可位于浮动扩散区的角附近，如图6C所示。或者，光电二极管中的每一个可与浮动扩散区的边缘中的每一个相邻。尽管对称光电二极管中的每一个和浮动扩散区之间的距离优选地被最小化以使得电荷行进穿过图像传感器像素所耗费的时间最小化，但是光电二极管可从浮动扩散区偏移任何期望的距离。
图7示出了可对应于图6A的图像传感器像素600的示例性图像传感器像素的横截面。图像传感器像素700可具有形成于衬底730中的光电二极管702-1和702-2以及浮动扩散区704。如图7所示，光电二极管702和浮动扩散区704可为深阱注入物。在图7中，光电二极管702和浮动扩散区704被示为从衬底730的前表面732延伸到衬底730的后表面734(例如，跨衬底730的整个宽度)。然而，光电二极管702和浮动扩散区704可不完全从衬底730的前表面延伸到后表面。光电二极管702和浮动扩散区730可延伸到衬底730的前表面的一微米内、延伸到衬底730的前表面的10微米内、延伸到衬底730的前表面的0.5微米内、延伸到衬底730的前表面的大于0.1微米内，或者延伸到衬底730的前表面的小于0.5微米内。光电二极管702和浮动扩散区704可为n型掺杂区，并且衬底730可为由硅或任何其他合适半导体材料制成的体p型衬底。或者，光电二极管702和浮动扩散区704可为p型掺杂区，并且衬底730可为n型衬底。光电二极管702和浮动扩散区704可分别对应于图6的光电二极管602和浮动扩散区604。
如图7所示，浮动扩散区704具有与光电二极管702相似的结构(例如，深阱注入物结构)。例如，浮动扩散区704的高度714可与光电二极管702的高度712相同。然而，这仅仅是示例。例如，浮动扩散区704的高度714可在光电二极管702的高度712的1％之内、在光电二极管702的高度712的5％之内、在光电二极管702的高度712的10％之内、在光电二极管702的高度712的20％之内、在光电二极管702的高度712的小于20％之内、或者在光电二极管702的高度712的大于10％之内。此外，浮动扩散区704(以及光电二极管702)可不被覆盖(例如，可暴露于入射光)。浮动扩散区704可因此为图像传感器像素700中的第三光敏区(除光电二极管702-1和702-2之外)。光电二极管702关于浮动扩散区704的对称性允许图像传感器像素700内的有效电荷转移。
图7还示出了转移晶体管708和抗光晕晶体管706，其可对应于图6的转移晶体管608和抗光晕晶体管606。还示出了隔离区720，其可对应于图6的区620。例如，隔离区720可为浅沟槽隔离结构或深沟槽隔离结构。可以在隔离区720中使用任何合适的隔离结构，包括沟槽隔离结构、掺杂半导体区和金属屏障结构。如图所示，隔离区720可具有相似的尺寸。然而，隔离区720可全部具有相同的尺寸，可全部具有不同的尺寸，或者可具有一些相同尺寸的区和一些不同尺寸的区。例如，像素内隔离区720-2和720-3可小于像素间隔离区720-1和720-4。一般来讲，隔离区720可为任何尺寸或形状。然而，无论隔离区720的尺寸和形状如何，光电二极管702和浮动扩散区704都可保持未被隔离区720覆盖，使得它们可响应于入射到图像传感器像素700上的光而生成电荷。
尽管图7中未示出，但微透镜诸如图6的微透镜626可覆盖光电二极管702和浮动扩散区704。具体地讲，至少一个微透镜可覆盖光电二极管702-1和702-2以及浮动扩散区704。在相位检测应用中，当将第一半像素(例如，光电二极管702中的一者)的图像输出与第二半像素(例如，光电二极管702中的第二者)的图像输出进行比较以确定相位差(例如，用于确定图像传感器的聚焦设置是否合适)时，结合覆盖光电二极管702和浮动扩散区704的微透镜可能是有利的。
虽然图7示出了背照式图像传感器像素，但是图像传感器像素700不限于这种布置方式。如果需要，图像传感器像素700可替代地为前照式图像传感器像素。
已经描述了各种实施方案，示出了具有关于共享的电荷存储区(例如，浮动扩散区)对称的分割光电二极管的图像传感器像素。
在本实用新型的各种实施方案中，图像传感器像素可具有第一光敏区、第二光敏区和第三光敏区，该第一光敏区和第二光敏区关于第三光敏区对称。图像传感器像素可形成在具有相对的第一表面和第二表面的半导体衬底中。第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区可具有相应的第一高度、第二高度和第三高度。第三高度可在第一高度的20％之内，并在第二高度的20％之内。第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区可各自为半导体衬底的n型掺杂区。在一些实施方案中，第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区可从半导体衬底的第一表面延伸到半导体衬底的第二表面的1微米内。
微透镜可覆盖第一光电二极管、第二光电二极管和浮动扩散区。半导体衬底可包括隔离结构，其可为深沟槽隔离结构。在一些实施方案中，第一光电二极管、第二光电二极管和浮动扩散区可从第一表面延伸到第二表面的1微米内。
根据一个实施方案，被配置成存储由浮动扩散区生成的溢出电荷的双转换增益电容器可耦接到浮动扩散区。增益选择晶体管可耦接在浮动扩散区和双转换增益晶体管之间，并且可接通以向浮动扩散区提供增加的电容。
在各种实施方案中，图像传感器像素可具有耦接到浮动扩散区的列读出电路。列读出电路可读出由浮动扩散区生成的电荷，然后读出由第一光电二极管和第二光电二极管生成的电荷。在一些实施方案中，列读出电路可同时读出由第一光电二极管和第二光电二极管生成的电荷。在其他实施方案中，列读出电路可在读出由第二光电二极管生成的电荷之前读出由第一光电二极管生成的电荷。当由浮动扩散区生成的电荷被读出时，可启用增益选择晶体管，而当由第一光电二极管和第二光电二极管生成的电荷被读出时，可禁用增益选择晶体管。
在一些实施方案中，可通过在积分时间期间在第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区中生成电荷来操作具有第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区的图像传感器像素。在生成电荷之后，由浮动扩散区生成的电荷可被读出，然后由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷可被读出。根据一些实施方案，由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷可被同时读出。在读出由浮动扩散区生成的电荷之后，图像传感器像素还可将浮动扩散区重置为第一重置值并读出第一重置值，并且在读出第一重置值之后，将图像传感器像素重置为与第一光敏区和第二光敏区相关联的第二重置值，并读出第二重置值。
根据其他实施方案，由第一光敏区生成的电荷可在由第二光敏区生成的电荷被读出之前被读出。在读出由浮动扩散区生成的电荷之后，图像传感器像素可将浮动扩散区重置为第一重置值并读出第一重置值，在读出第一重置值之后，将图像传感器像素重置为与第一光敏区相关联的第二重置值并读出第二重置值，并且在读出由第一光敏区生成的电荷之后，将图像传感器像素重置为与第二光敏区相关联的第三重置值并读出第三重置值。
图像传感器像素还可具有耦接到浮动扩散区的双转换增益电容器和耦接在双转换增益电容器和浮动扩散区之间的增益选择晶体管。增益选择晶体管可在积分时间之后被激活，并且由浮动扩散区生成的电荷可在增益选择晶体管被激活时被读出。在由浮动扩散区生成的电荷被读出之后，增益选择晶体管可被停用，并且由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷可在增益选择晶体管被停用时被读出。
根据一个实施方案，图像传感器像素可响应于光而生成图像信号，并且可包括响应于光而生成电荷的第一光敏区、响应于光而生成电荷的第二光敏区和响应于光而生成电荷的浮动扩散区，其中浮动扩散区耦接到第一光敏区和第二光敏区，并且其中第一光敏区和第二光敏区关于浮动扩散区对称。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括具有相对的第一表面和第二表面的半导体衬底，其中第一光敏区和第二光敏区以及浮动扩散区从第一表面延伸到第二表面。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括覆盖第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区的微透镜。
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隔离结构，其中该隔离结构插置在第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区之间，并且其中第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区未被隔离结构覆盖。
根据另一个实施方案，隔离结构可为深沟槽隔离结构。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括耦接到浮动扩散区的双转换增益电容器，其中该双转换增益电容器被配置成存储由浮动扩散区生成的溢出电荷。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括耦接在浮动扩散区和双转换增益电容器之间的增益选择晶体管，其中该增益选择晶体管被配置成接通以将浮动扩散区电连接到双转换增益电容器并向浮动扩散区提供附加电容。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括耦接到浮动扩散区的列读出电路，其中该列读出电路被配置成读出由浮动扩散区以及第一光敏区和第二光敏区生成的电荷，其中该增益选择晶体管被配置成在由浮动扩散区生成的电荷被读出时接通，并且其中该增益选择晶体管被配置成在由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷被读出时断开。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括具有相对的第一表面和第二表面的半导体衬底、半导体衬底中的从第一表面朝向第二表面延伸并具有第一高度的第一光敏区、半导体衬底中的从第一表面朝向第二表面延伸并具有第二高度的第二光敏区，以及半导体衬底中的耦接到第一光敏区和第二光敏区的浮动扩散区，其中浮动扩散区从第一表面朝向第二表面延伸并具有第三高度，其中第三高度在第一高度的20％之内，并且其中第三高度在第二高度的20％之内。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括覆盖第一光电二极管、第二光电二极管和浮动扩散区的微透镜。
根据另一个实施方案，第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区可各自为半导体衬底的n型掺杂区，并且第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区可从第一表面延伸到第二表面的1微米内。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括第一光敏区和第二光敏区、浮动扩散区、第一光敏区和浮动扩散区之间的第一转移晶体管以及第二光敏区和浮动扩散区之间的第二转移晶体管。第一光敏区、第二光敏区和浮动扩散区可在积分时间期间生成电荷，由浮动扩散区生成的电荷可在积分时间之后被读出，并且由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷可在由浮动扩散区生成的电荷被读出之后被读出。
根据另一个实施方案，由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷可被同时读出。
根据另一个实施方案，在由浮动扩散区生成的电荷被读出之后，浮动扩散区可被重置为第一重置值，第一重置值可被读出，在第一重置值被读出之后，浮动扩散区可被重置为第二重置值，并且第二重置值可被读出。
根据另一个实施方案，由第一光敏区生成的电荷可在由第二光敏区生成的电荷被读出之前被读出。
根据另一个实施方案，在由浮动扩散区生成的电荷被读出之后，由浮动扩散区生成的电荷可被重置为第一重置值，第一重置值可被读出，在第一重置值被读出之后，浮动扩散区可被重置为与第一光敏区相关联的第二重置值，第二重置值可被读出，在由第一光敏区生成的电荷被读出之后，浮动扩散区可被重置为与第二光敏区相关联的第三重置值，并且第三重置值可被读出。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括耦接到浮动扩散区的双转换增益电容器和耦接在双转换增益电容器和浮动扩散区之间的增益选择晶体管，增益选择晶体管可在积分时间期间生成电荷之后被激活，并且由浮动扩散区生成的电荷可在增益选择晶体管被激活的同时被读出。
根据另一个实施方案，增益选择晶体管可在读出由浮动扩散区生成的电荷之后被停用，并且由第一光敏区和第二光敏区生成的电荷可在增益选择晶体管被停用的同时被读出。
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)

1.一种图像传感器像素，其特征在于，所述图像传感器像素被配置成响应于光而生成图像信号，所述图像传感器像素包括：
第一光敏区，所述第一光敏区被配置成响应于所述光而生成电荷；
第二光敏区，所述第二光敏区被配置成响应于所述光而生成电荷；和
浮动扩散区，所述浮动扩散区被配置成响应于所述光而生成电荷，其中所述浮动扩散区耦接到所述第一光敏区和所述第二光敏区，并且其中所述第一光敏区和所述第二光敏区关于所述浮动扩散区对称。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
具有相对的第一表面和第二表面的半导体衬底，其中所述第一光敏区和所述第二光敏区以及所述浮动扩散区从所述第一表面延伸到所述第二表面。
3.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
覆盖所述第一光敏区、所述第二光敏区和所述浮动扩散区的微透镜。
4.根据权利要求3所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
所述半导体衬底中的隔离结构，其中所述隔离结构插置在所述第一光敏区、所述第二光敏区和所述浮动扩散区之间，并且其中所述第一光敏区、所述第二光敏区和所述浮动扩散区未被所述隔离结构覆盖。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
耦接到所述浮动扩散区的双转换增益电容器，其中所述双转换增益电容器被配置成存储由所述浮动扩散区生成的溢出电荷。
6.根据权利要求5所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
耦接在所述浮动扩散区和所述双转换增益电容器之间的增益选择晶体管，其中所述增益选择晶体管被配置成接通以将所述浮动扩散区电连接到所述双转换增益电容器并向所述浮动扩散区提供附加电容。
7.根据权利要求6所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
耦接到所述浮动扩散区的列读出电路，其中所述列读出电路被配置成读出由所述浮动扩散区以及所述第一光敏区和所述第二光敏区生成的电荷，其中所述增益选择晶体管被配置成在由所述浮动扩散区生成的电荷被读出时接通，并且其中所述增益选择晶体管被配置成在由所述第一光敏区和所述第二光敏区生成的电荷被读出时断开。
8.一种图像传感器像素，其特征在于，所述图像传感器像素包括：
具有相对的第一表面和第二表面的半导体衬底；
所述半导体衬底中的从所述第一表面朝向所述第二表面延伸并具有第一高度的第一光敏区；
所述半导体衬底中的从所述第一表面朝向所述第二表面延伸并具有第二高度的第二光敏区；
所述半导体衬底中的耦接到所述第一光敏区和所述第二光敏区的浮动扩散区，其中所述浮动扩散区从所述第一表面朝向所述第二表面延伸并具有第三高度，其中所述第三高度在所述第一高度的20％之内，并且所述第三高度在所述第二高度的20％之内。
9.根据权利要求8所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
覆盖所述第一光敏区、所述第二光敏区和所述浮动扩散区的微透镜。
10.根据权利要求8所述的图像传感器像素，其中，所述第一光敏区、所述第二光敏区和所述浮动扩散区各自为所述半导体衬底的n型掺杂区，并且其中所述第一光敏区、所述第二光敏区和所述浮动扩散区从所述第一表面延伸到所述第二表面的1微米内。
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