TW201911547A - 光學感測器的像素以及光學感測器的操作方法 - Google Patents

光學感測器的像素以及光學感測器的操作方法 Download PDF

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Abstract

實施例有關於堆疊式光學感測器組件，其中堆疊式光學感測器組件的兩個基板垂直地堆疊。兩個基板透過像素級互連部彼此相連接以將來自第一基板的光電二極體的訊號提供至第二基板上的電路。第二基板上的電路執行被常規地執行於第一基板上的操作。藉由堆疊第一基板和第二基板，光學感測器組件可被製造的更緊密，同時增加或至少保持光學感測器組件的光電二極體填充因子。

Description

光學感測器的像素以及光學感測器的操作方法
本發明涉及一種光學感測器，尤指一種用於機器視覺的背側照明式光學感測器。
光學感測器是將光轉換為電子信號的電子探測器。在攝影中，快門是允許光線通過一段確定時間的裝置，將光學感測器暴露於光線中以捕獲場景的影像。滾動快門是一種影像擷取方法，其透過在水平或垂直方向上快速掃描場景來捕獲靜止影像或視頻的每個幀。 也就是說，在同一時間不會捕獲每個像素; 在不同時間捕獲來自不同列的像素。滾動快門主要用於手機感測器。 相比之下，機器視覺使用全局快門以於同一時間捕獲每個像素。
大多數光學感測器使用背側照明。背側照明式感測器是一種數位光學感測器，其使用特定佈置的成像元件來增加捕獲的光量，從而改善低光性能。傳統的前照式數位相機的構造與人眼類似，前照式數位相機的前部具有鏡頭而後部具有光電探測器。感測器的這個方位將數位相機感測器的主動式矩陣、各別圖像元素的矩陣放置在感測器的前表面上並且簡化製造。然而，矩陣及其佈線反射了一些光線，減少了可捕獲的信號。背照式感測器包含相同的元件，但是在製造期間透過翻轉矽晶圓於光電陰極層之後面進行佈線，接著薄化矽晶圓相反的一側，使得光可在不穿過佈線層的情況下撞擊光電陰極層，從而提高了捕獲的輸入光子的機會。
然而，傳統背側照明式感測器存在一些問題。存儲暴露在光線下，其導致更高的洩漏。而且，光電二極體填充因子或像素的光敏區域與總像素區域的比率低。大填充因子是理想的，因為更多的像素區域用於光學收集，這同時改善了信噪比（SNR）和動態範圍。可精確地捕獲可點亮影像感測器的光的動態範圍的廣度。影像感測器的動態範圍越寬，在低光條件下可顯示的細節越多，因此成像系統變得越來越通用。影像感測器的SNR測量信號與其相關噪聲之間的比率。具有低SNR的影像感測器將在捕獲的影像中出現大量噪聲。具有高SNR的影像感測器可用於低光條件下。由於與現有背側照明式感測器相關的問題，有需要一種改良的光學組件。
實施例有關於具有堆疊基底的光學感測器的像素以及連接堆疊基板中的電路的像素級互連部(pixel level interconnect)。像素可包括第一基板的一部分、第二基板的具有用於處理來自第一基板的信號的電路的一部分以及像素級互連部。 第一基板的該部分包括用於檢測光線的光電二極體以及與光電二極體相關的擴散井以儲存來自光電二極體的光電荷。儲存於擴散井中的電荷量取決於入射在光電二極體上的光線的持續時間和強度。像素級互連部將第一基板的第二擴散井連接到第二基板的電路以將來自第二擴散井的訊號傳送至第二基板的電路。
詳細參閱優選實施例，其示例在附圖中顯示。 每當有可能，在所有圖式中相同的元件標號來用於表示相同或相似的部件。
實施例有關於堆疊式光學感測器組件，堆疊式光學感測器組件的兩個基板垂直地堆疊。兩個基板透過像素級互連部彼此相連接以將來自第一基板的光電二極體的訊號提供到第二基板上的電路。第二基板上的電路執行被常規地執行於第一基板上的操作。藉由堆疊第一基板和第二基板，光學感測器組件可被製造更緊密，同時增加或至少保持光學感測器組件的光電二極體填充因子(fill factor)。
系統架構的示例。圖1為依據一實施例所繪示的電子裝置的高階方塊圖。在一實施例中，電子裝置100除了其他元件之外包含有交換地耦合的處理器102以及光學感測器104。電子裝置100可包含其他未繪示於圖1的組件，例如記憶體以及多種其他感測器。
處理器102是對資料來源執行操作的電子電路。資料來源可包含提供感測資料108的光學感測器104。處理器102產生被發送到光學感測器104的操作指令106。處理器102所執行的處理可包含感測資料108的類比數位轉換，其將電壓類比訊號或電流類比訊號轉換為數位訊號。
光學感測器104為測量光強度且執行光電轉換的電路。測量光強度可包括透過光電二極體檢測光線，而光電轉換可包括透過光電二極體將光轉換成電壓訊號或電流訊號。
圖2為依據一實施例所繪示的光學感測器104的示意圖。光學感測器104包含數位塊202、全域計數器203、行驅動器及全域訊號驅動模組204、行動產業處理器接口（MIPI）205、計數緩衝器206、數位像素陣列207、感測放大器208、線記憶體209、功率調整器210、斜坡產生及緩衝器模組211以及感測放大偏壓模組212。
數位塊202為處理與光學感測器104的操作相關聯的數位訊號的電路。在一個或多個實施例中，數位塊202的至少一部分可為數位像素陣列207的一部分，而非從數位像素陣列207分離的電路。
全域計數器203為串接正反器架構的數位序向邏輯電路，並且提供計數訊號到光學感測器104的多種元件。
行驅動器及全域訊號驅動器模組204為經由掃描線（未顯示）向列像素提供訊號的電路。提供給每列像素的訊號表示在每列像素感測影像訊號且/或重新設定操作。
行動產業處理器接口205是用於將來自光學感測器104的感測資料108傳送到處理器102的一個串行接口。行動產業處理器接口205典型地具有單個時鐘通道以及兩個攜帶有串行資料的資料通道（圖未顯示）。 這些三個通道在成對的導線上傳輸訊號，而所傳輸的信號經常為差分訊號。
計數緩衝器206為接收來自全域計數器203的計數訊號的電路，並且將訊號發送到數位像素陣列207中的行像素以協調感測和重新設操作。
數位像素陣列207包含多個像素。在一實施例中，數位像素陣列以二維佈置，可通過行和列來尋址。每個像素用於感測光並輸出對應於輸入光強度的訊號。 每個像素可包括數個元件，而這些元件將於隨後參閱圖3來闡述。
感測放大器208為在讀取電路內用於讀出來自數位像素陣列207的數位信號的元件。感測放大器208從位元線感測低功率信號，而該位元線表示被數位像素陣列207的像素所捕獲的光強度。感測放大器208可藉由類比數位轉換器產生數位輸出信號。在一個或多個實施例中，感測放大器208的至少部份可被包含於數位像素陣列207內。
線記憶體209暫時地儲存在數位像素陣列207被檢測到的光強度的感測數位值，在透過行動產業處理器接口205傳送數位值到處理器102之前，感測資料108被感測放大器208感測且被數位塊102處理。
功率調整器210為改善傳送到光學感測器104的組件的功率品質的電路。功率調整器210可維持並傳遞一個允許光學感測器104的組件正常運行的固定電壓。 在一實施例中，功率調整器210是使得正弦交流電波形平滑的交流電功率調整器。 在可選擇的實施例中，功率調整器210是功率線調整器，其接收功率並基於連接到功率線調整器的部件的需求對功率進行修改。
斜坡產生器及緩衝器模組211包括一斜坡產生器和數個緩衝器。 斜坡產生器是一個函數產生器，其可將其電壓增加到特定值。斜坡產生器可用於當改變負載時避免顛簸。緩衝器提供從一個電路到另一個電路的電阻抗轉換，以防止斜坡產生器受到負載的影響。
感測放大偏壓模組212提供偏壓電壓訊號至感測放大器208。偏壓電壓訊號為用於建立感測放大器208的適當操作條件的預定電壓，例如穩定的直流電壓。堆疊式光感測組件的例子
圖3為依據一實施例所繪示的堆疊式光學感測器組件300的剖視圖。在一實施例中，堆疊式光感測組件包括耦合到第二基板340的第一基板310。第一基板310可為背側照明302的感測器，其被翻轉且除了其他組件之外還包括第一n +擴散井312、光電二極體314、電晶體313、電晶體316以及第二n +擴散井320。
電晶體AB 313和電晶體TX 316中的每一個包括有一活動層、一耦合到活動層的汲極電極，作為電晶體AB 313和電晶體TX 316的源極的光電二極體314、一個在活動層之上的絕緣層以及一閘極電極(圖未顯示)。藉由控制電晶體AB 313與電晶體TX 316的閘極的電壓位準，可使電晶體AB 313和電晶體TX 316導通或截止。這些電晶體的閘極接收來自數位像素陣列207外部的電路的訊號。
第一n +擴散井312是形成於第一基板310內的N摻雜植入區。當電晶體AB 313導通於非曝光時間，第一n +擴散井312接收來自光電二極體314的光電子。這相當於傳統膠片相機中的關閉快門模式。從光電二極體314至n +擴散井312的光電子傳送確保沒有光電子累積於光電二極體314上，因為非曝光時間是沒有信號產生的時段。n +擴散井312典型地連接到正電壓源，例如VDD，因此光電子被排出。在曝光時間，其相當於膠片相機中的快門打開模式，電晶體AB 313和電晶體TX 316都截止並且光電子最初儲存在光電二極體314內。在曝光結束時，電晶體TX 316為導通。結果，儲存在光電二極體314中的電荷被轉移到第二n +擴散井320。
光電二極體314為將光轉換為電流的半導體元件。當光子被光電二極體314吸收時會產生電流。光電二極體314可以是p-n接面或PIN結構。當通過背側照明302的光的強度較高時，累積於光電二極體314上的電荷量較高。相似地，當通過背側照明302的光的強度較低時，累積在光電二極體314上的電荷量較低。
像素級互連部350可以為一個從n +擴散井320到第二基板340內的電路342的像素級直接互連。在一實施例中，像素級互連部350傳輸一個反應從光電二極體314傳輸到n +擴散井320的電荷量的電壓訊號。 在可選擇的實施例中，像素級互連部350傳輸一個反應從光電二極體314傳輸到n +擴散井320的電荷量的電流訊號。像素級互連部350將電壓訊號傳送到電路342以便作進一步處理，例如取樣以及類比數位轉換。 在其他實施例中，堆疊式光學感測器組件300可包含額外的互連，其也將訊號從第二基板340的電路342傳輸到第一基板310。舉例來說，用於控制電晶體AB 313與電晶體TX 316的訊號可藉由這些額外電路從電路342被傳輸。
實施例將傳統光學感測器中設置在第一基板310上的各種電路元件移動到第二基板340，且透過像素級互連部350將第二基板340的電路連接到第一基板310內的元件。各種移動至第二基板340的電路元件可包含開關，放大器和電流源等等。 以這種方式，可以有利地減小第一基板310內被元件佔據的區域並且可增加填充因子。
堆疊式光學感測器組件的操作流程圖的示例。圖4為依據一實施例所繪示堆疊式光學感測器組件的操作流程圖。首先，在非曝光時間或快門關閉期間，將電荷從光電二極體314傳送到第一基板310內的第一n +擴散井312(420)。具體而言，電晶體313導通以在第一n +擴散井312和光電二極體314之間提供一電流路徑。接著在曝光時間，打開快門且將電荷累積在光電二極體314上(423)。
在曝光時間結束之後，將累積於光電二極體314內的電荷傳送到第二n +擴散井320(425)。具體而言，電晶體AB313被截止且電晶體TX316被導通以提供一電流路徑將光電二極體內的電荷傳輸到第二n +擴散井320。
基於傳輸到第二n +擴散井320的電荷量，在第一基板310處產生一信號(430)。該信號可為電壓訊號或電流訊號。
接著，透過像素級互連部350將產生的訊號從第一基板310傳輸至堆疊於第一基板310上的第二基板340(435)。
第二基板340中的電路342接收傳輸於像素級互連部350上的訊號(440)。電路342處理接收到的信號以便發送至處理器102(445)。
為了目的的闡述，前述數個實施例的描述已經被呈現；它並非意圖詳盡或限制專利權在所公開的精確形式上。鑑於以上公開內容，相關領域的技術人員可以理解許多修改和變化是可能的。
使用於說明書中的用語主要已被選擇用於可讀性和指導目的，並且可能未被選擇以描繪或限制專利權。 因此，專利權的範圍不受該詳細描述的限制，而是受到基於申請案的任何請求項的限制。 因此，實施例的公開內容旨在說明而非限制專利權的範圍，其在以下請求項中闡述。
100‧‧‧電子裝置
102‧‧‧處理器
104‧‧‧光學感測器
106‧‧‧操作指令
108‧‧‧感測資料
202‧‧‧數位塊
203‧‧‧全域計數器
204‧‧‧行驅動器及全域訊號驅動模組
205‧‧‧行動產業處理器接口
206‧‧‧計數緩衝器
207‧‧‧數位像素陣列
208‧‧‧感測放大器
209‧‧‧線記憶體
210‧‧‧功率調整器
211‧‧‧斜坡產生及緩衝器模組
212‧‧‧感測放大偏壓模組
300‧‧‧堆疊式光學感測器組件
302‧‧‧背側照明
310‧‧‧第一基板
312‧‧‧第一n+擴散井
313‧‧‧電晶體AB
314‧‧‧光電二極體
316‧‧‧電晶體TX
320‧‧‧第二n+擴散井
340‧‧‧第二基板
342‧‧‧電路
350‧‧‧像素級互連部
圖1為依據一實施例所繪示的電子裝置的高階方塊圖。
圖2為依據一實施例所繪示的感測器架構的示意圖。
圖3為依據一實施例所繪示的堆疊式光學感測器組件的剖視圖。
圖4為依據一實施例所繪示堆疊式光學感測器組件的操作流程圖。
附圖僅出於說明的目的描繪了各種實施例。本領域技術人員將從以下內容中容易地辨認可採用本說明書所示的結構和方法的替代實施例而不脫離本說明書所述的原理。

Claims (14)

  1. 一種光學感測器的像素，包括：一第一基板的一部份包含：一光電二極體，用於偵測光線；以及一擴散井，關聯於該光電二極體以儲存來自該光電二極體的電荷，儲存於該擴散井的一電荷量取決於該光線入射於該光電二極體上的持續時間與強度； 一第二基板的一部份具有一電路，該電路用於處理來自該第一基板的一訊號；以及一像素級互連部，使該第一基板的該擴散井連接於該第二基板的該電路以將該訊號從該擴散井傳送至該電路。
  2. 如請求項1所述之光學感測器的像素，其中該第一基板更包括： 一第一電晶體，導通於該像素的一非曝光時間；以及一第二電晶體，導通以將儲存於該光電二極體內的該電荷傳送至該擴散井。
  3. 如請求項1所述之光學感測器的像素，其中該第一基板為P摻雜型，且該擴散井與其他擴散井為N摻雜型。
  4. 如請求項1所述之光學感測器的像素，其中該第一基板具有一前表面，該光電二極體與該擴散井設於該前表面，且該前表面朝向該第二基板。
  5. 如請求項1所述之光學感測器的像素，其中該第二基板的相對兩側具有一前表面及一後表面，該電路設於該前表面，該前表面朝向該第一基板。
  6. 如請求項1所述之光學感測器的像素，其中該訊號為一電壓訊號，該電壓訊號取決於從該光電二極體傳送至該擴散井的該電荷量。
  7. 如請求項1所述之光學感測器的像素，其中該處理包括取樣以及類比數位轉換的至少一個。
  8. 一種光學感測器的操作方法，包括： 透過一第一基板內的一光電二極體偵測光線；透過該第一基板內的一擴散井儲存來自該光電二極體的電荷，儲存於該擴散井的一電荷量取決於入射於該光電二極體的光線的持續時間以及強度；在該第一基板內產生一訊號以表示儲存於該擴散井的該電荷量；透過一像素級互連部將該訊號從該第一基板傳送至該第二基板，該像素級互連部使該第一基板的該擴散井連接於一第二基板的一電路；以及透過該第二基板內的該電路處理該訊號。
  9. 如請求項8所述之方法，更包括：在該像素的一非曝光時間中導通一第一電晶體；將來自另一擴散井的電荷傳送至該光電二極體，以反應導通該第一電晶體；以及導通一第二電晶體以將儲存於該光電二極體內的該電荷傳送至該擴散井。
  10. 如請求項8所述之方法，其中該第一基板為P摻雜型，而該擴散井與其他擴散井為N摻雜型。
  11. 如請求項8所述之方法，其中該第一基板具有一前表面，該光電二極體與該擴散井設於該前表面，且該前表面朝向該第二基板。
  12. 如請求項8所述之方法，其中該第二基板的相對兩側具有一前表面及一後表面，該電路設於該前表面，且該前表面朝向該第一基板。
  13. 如請求項8所述之方法，其中該訊號為一電壓訊號，該電壓訊號取決於從該光電二極體傳送至該擴散井的該電荷量。
  14. 如請求項8所述之方法，其中該處理包括取樣以及類比數位轉換的至少一個。
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