TWI549275B - 用於高動態範圍影像感測器之影像感測器像素 - Google Patents

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Description

用於高動態範圍影像感測器之影像感測器像素
本發明一般而言係關於影像感測器，且特定而言(但非排他性地)係關於高動態範圍影像感測器中之像素。
高動態範圍(「HDR」)影像感測器對諸多應用而言係有用的。一般而言，普通影像感測器(舉例而言，包含電荷耦合裝置(「CCD」)及互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)影像感測器)具有大約70dB動態範圍之一動態範圍。相比而言，人眼具有高達大約100dB之一動態範圍。存在其中具有一增加之動態範圍之一影像感測器為有益之多種情形。舉例而言，在汽車行業中需要具有100dB以上之一動態範圍之影像感測器以便處置不同駕駛條件，例如自一黑暗隧道駕駛至明亮日光中。確實，諸多應用可需要具有至少90dB或90dB以上之動態範圍之影像感測器以適應自低光條件至亮光條件變化之一廣泛範圍之照明情形。
一種用於實施HDR影像感測器之已知方法係使用一組合像素。可使用一個像素來感測亮光條件，同時可使用另一像素來感測低光條件。然而，此方法通常包含像素中之不同光電二極體之間的實體差異及電差異。此等差異可在處理自不同光電二極體產生之影像信號中形成挑戰。作為一結果，可需要選擇較複雜且較不有效讀出與量測電子 器件來以所要準確度讀出不同光電二極體。
100‧‧‧高動態範圍成像系統
102‧‧‧實例性像素陣列/像素陣列
104‧‧‧讀出電路
106‧‧‧功能邏輯
108‧‧‧控制電路
110‧‧‧像素
112‧‧‧讀出行
210‧‧‧高動態範圍像素/像素/影像像素
212‧‧‧讀出行
229‧‧‧共用浮動擴散部/共用浮動擴散區域
233‧‧‧轉移電晶體/第一轉移電晶體
235‧‧‧第一光電二極體/光電二極體
243‧‧‧轉移電晶體/第二轉移電晶體
245‧‧‧第二光電二極體/光電二極體
317‧‧‧第一經較高n摻雜區域/經n摻雜區域/經較高摻雜區域/區域
319‧‧‧六邊形第一經p摻雜區域/第一經p摻雜區域
335‧‧‧第一光電二極體/光電二極體
337‧‧‧第二經較高n摻雜區域/經n摻雜區域/經較高摻雜區域/區域
339‧‧‧第二經p摻雜區域/經p摻雜區域
345‧‧‧第二光電二極體/光電二極體
415‧‧‧第一經較低n摻雜區域/區域
435‧‧‧第一光電二極體/光電二極體
436‧‧‧第二經較低n摻雜區域/區域
445‧‧‧第二光電二極體/光電二極體
451‧‧‧第一微透鏡
452‧‧‧第二微透鏡
544‧‧‧孔徑大小調整器
551‧‧‧第一微透鏡
552‧‧‧第一微透鏡
A-A'‧‧‧線
B-B'‧‧‧線
C-C'‧‧‧線
C1-CX‧‧‧行
P1-PN‧‧‧像素
PDB‧‧‧第二光電二極體
PDL‧‧‧第一光電二極體
R1-Ry‧‧‧列
RST‧‧‧重設信號
SEL‧‧‧控制信號
T1B‧‧‧轉移電晶體
T1L‧‧‧轉移電晶體
T2 222‧‧‧重設電晶體
T3 224‧‧‧放大器電晶體
T4 226‧‧‧列選擇電晶體
TXB 241‧‧‧第二轉移信號/控制信號
TXL 231‧‧‧第一轉移信號/控制信號
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另外規定，否則貫穿各種視圖相似元件符號係指相似部件。
圖1係圖解說明根據本發明之一實施例之一HDR成像系統之一項實例之一方塊示意圖。
圖2係圖解說明根據本發明之一實施例可在圖1中所圖解說明之HDR影像感測器中實施之一HDR像素之一項實例之一示意圖。
圖3A係根據本發明之一實施例可在一HDR像素中使用之兩個光電二極體之一平面圖之一圖解說明。
圖3B係根據本發明之一實施例之圖3A中之兩個光電二極體之一剖面圖解說明。
圖4A係根據本發明之一實施例可在一HDR像素中使用之兩個光電二極體及兩個微透鏡之一平面圖之一圖解說明。
圖4B係根據本發明之一實施例之圖4A中之兩個光電二極體及兩個微透鏡之一剖面圖解說明。
圖5A係根據本發明之一實施例可在一HDR像素中使用之兩個光電二極體、兩個微透鏡及一孔徑大小調整器之一平面圖之一圖解說明。
圖5B係根據本發明之一實施例之圖5A中之兩個光電二極體、兩個微透鏡及孔徑大小調整器之一剖面圖解說明。
本文中闡述一成像系統及用於一成像系統之影像像素之實施例。在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對該等實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可藉助其他方法、 組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」或「一實施例」之參考意指結合實施例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書在各種地方中出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」未必全部係指相同實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何適合方式組合於一或多個實施例中。
圖1係圖解說明根據本發明之一實施例之一HDR成像系統100之一項實例之一方塊示意圖。HDR成像系統100包含一實例性像素陣列102、控制電路108、讀出電路104及功能邏輯106。如在所繪示實例中所展示，HDR成像系統100包含耦合至控制電路108及讀出電路104之像素陣列102。讀出電路104耦合至功能邏輯106。控制電路108耦合至像素陣列102以控制像素陣列102之操作特性以便擷取由像素陣列102所接收之影像光產生之影像。舉例而言，控制電路108可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一捲動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一列、每一行或每一像素群組。
在一項實例中，像素陣列102係成像感測器或像素110(例如，像素P1、P2…、Pn)之一個二維(2D)陣列。在一項實例中，每一像素110係包含用以擷取低光資料之一第一光電二極體及用以擷取亮光資料之一第二光電二極體之一CMOS成像像素。如所圖解說明，每一像素110配置至一列(例如，列R1到Ry)及一行(例如，行C1到Cx)中以獲取一人、地方、物件等之影像資料，然後可使用該影像資料再現該人、地方、物件等之一影像。
在一項實例中，在每一像素110已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路104透過讀出行112讀出且然後轉移至功能邏輯106。在各種實施例中，讀出電路104可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯106可僅儲存影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路104可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用多種其他技術(未圖解說明)讀出影像資料，諸如一串行讀出或對所有像素同時進行之一全並行讀出。可在不同時段期間單獨地讀出由像素110之一第一光電二極體(用於低光)及一第二光電二極體(用於亮光)產生之影像電荷。
圖2係圖解說明根據本發明之一實施例可實施為HDR成像系統100中之(若干)像素110之一HDR像素210之一項實例之一示意圖。像素210包含一第一光電二極體235(PDL)及一第二光電二極體245(PDB)。第一光電二極體235可經組態以量測低光資料且第二光電二極體245可經組態以量測亮光資料。轉移電晶體233(T1L)耦合於第一光電二極體235與共用浮動擴散部229之間以將第一影像電荷自第一光電二極體235轉移至共用浮動擴散部229。轉移電晶體243(T1B)耦合於第一光電二極體235與共用浮動擴散部229之間以將第二影像電荷自第二光電二極體245轉移至共用浮動擴散部229。在一項實施例中，轉移電晶體233(T1L)、轉移電晶體243(T1B)、第一光電二極體235及第二光電二極體245安置於一半導體材料(例如，矽)中。
入射於像素210上之影像光將在光電二極體235及245中之每一者中產生影像電荷。在第一光電二極體235中產生第一影像電荷且在第二光電二極體245中產生第二影像電荷。當轉移電晶體233在其轉移閘極處接收到一第一轉移信號TXL 231時，將第一影像電荷轉移至共用 浮動擴散區域229。當第二轉移電晶體243在其轉移閘極處接收到第二轉移信號TXB 241時，將來自光電二極體245之第二影像電荷轉移至共用浮動擴散區域229。第一轉移電晶體233及第二轉移電晶體243之閘極經耦合以單獨地啟動(接通)。換言之，可單獨地確證第一轉移信號TXL 231及第二轉移信號TXB 241。
為擷取一影像，回應於在轉移電晶體233之一第一轉移閘極上接收到之一控制信號TXL 231而透過轉移電晶體233將在第一光電二極體235中累積之第一影像電荷切換至共用浮動擴散區域229中。然後，一第一影像信號(對應於轉移至共用浮動擴散部229之第一電荷)可由放大器電晶體T3 224放大並藉由啟動列選擇電晶體T4 226而讀出至讀出行212上。在一項實例中，放大器電晶體T3 224以如所展示之一源極隨耦器組態耦合，因此其將放大器電晶體T3 224之閘極端子處之影像信號放大為放大器電晶體T3 224之源極端子處之一輸出信號。如所展示，列選擇電晶體T4 226耦合至放大器電晶體T3 224之源極端子以回應於一控制信號SEL而將放大器電晶體T3 224之輸出選擇性地切換至讀出行212。如在實例中所展示，像素210亦包含耦合至共用浮動擴散區域229之重設電晶體T2 222，重設電晶體T2 222可用於回應於一重設信號RST而重設在像素210中累積之電荷。在一項實例中，根據本發明之實施例，可在像素210之一初始化時期期間或(舉例而言)每當在已自像素210讀出電荷資訊之後且在將電荷累積於第一光電二極體235及第二光電二極體245中之前重設共用浮動擴散區域229中之電荷以用於一新HDR影像之獲取。
可回應於在第二轉移電晶體243之一第二轉移閘極上接收到之一控制信號TXB 241而透過轉移電晶體243將在第二光電二極體245中累積之第二影像電荷切換至共用浮動擴散區域229中。可以與第一影像信號類似之一順序將一第二影像信號(對應於轉移至共用浮動擴散部 229之第二電荷)讀出至讀出行212上，以使得可自第一光電二極體235讀出一低光影像信號/資料且可自第二光電二極體245讀出一亮光影像信號/資料。可組合來自一像素陣列(例如，像素陣列102)中之多個像素210之亮光影像資料及低光影像資料以產生一HDR影像。影像像素210可整合至一前側照明式影像感測器或一背側照明式影像感測器中。
使用不同設計方案，可將第一光電二極體235組態以擷取低光且可將第二光電二極體245組態以擷取亮光。圖3A係根據本發明之一實施例可分別用作光電二極體235及245之一第一光電二極體335及一第二光電二極體345之一平面圖之一圖解說明。圖解說明第一光電二極體335及第二光電二極體345以便圖解說明本發明之實施例之態樣，但在實務上，光電二極體335及345可配置成較靠近在一起。在圖3A中，第一光電二極體335包含一個六邊形第一經p摻雜區域319。第二光電二極體345包含第二經p摻雜區域339，第二經p摻雜區域339亦圖解說明為六邊形，但可能具有不同幾何形狀。圖3B係根據本發明之一實施例之穿過圖3A中之線A-A'之一剖面圖解說明。第一光電二極體335安置於一半導體基板(未圖解說明)中。在一項實例中，半導體基板係矽。第一光電二極體335包含一第一經p摻雜區域319、一第一經較高n摻雜區域317及一第一經較低n摻雜區域315。第一經較高n摻雜區域317安置於第一經p摻雜區域319與第一經較低n摻雜區域315之間。第一經p摻雜區域319與經n摻雜區域317及經n摻雜區域315相反地被摻雜以形成第一光電二極體335之二極體。第一經較高n摻雜區域317具有比第一經較低n摻雜區域315高之一摻雜劑濃度。
在圖3B中，第二光電二極體345安置於與第一光電二極體335相同之半導體基板(未圖解說明)中。第二光電二極體345包含一第二經p摻雜區域339、一第二經較高n摻雜區域337及一第二經較低n摻雜區域 336。第二經較高n摻雜區域337安置於第二經p摻雜區域339與第二經較低n摻雜區域336之間。第二經p摻雜區域339與經n摻雜區域337及經n摻雜區域336相反地被摻雜以形成第二光電二極體345之二極體。第二經較高n摻雜區域337具有比第二經較低n摻雜區域336高之一摻雜劑濃度。第一經較低n摻雜區域315可具有與第二經較低n摻雜區域336相同之摻雜劑濃度。
第一經較高n摻雜區域317及第二經較高n摻雜區域337具有實質上相等之摻雜劑濃度且係實質上相同大小及形狀。光電二極體335及345之全井容量主要係由其經較高摻雜區域317及337之大小及摻雜劑濃度而設定。因此，由於區域317及337具有實質上相同之大小及摻雜劑濃度，因此光電二極體335之全井容量實質上等於第二光電二極體345之全井容量。使兩個光電二極體具有類似(若不相等)全井容量允許信號處理之減少之複雜度。
儘管光電二極體335及345兩者皆具有相同或類似之全井容量，但第一光電二極體335對影像光較敏感以擷取低光影像資料，而第二光電二極體345經組態以擷取亮光影像資料且比第一光電二極體335對影像光較不敏感。為完成此，第一經較低n摻雜區域315大於第二經較低n摻雜區域336。在圖3B中，第二經較低n摻雜區域336比第一經較低n摻雜區域315窄。因此，假定由每一光電二極體接收相同量之影像光，則光電二極體345產生比光電二極體335小之一定量之影像電荷。因此，第一光電二極體335比光電二極體345更敏感。
圖4A係根據本發明之一實施例可分別用作光電二極體235及245之一第一光電二極體435及一第二光電二極體445之一平面圖之一圖解說明。圖解說明第一光電二極體435及第二光電二極體445以便圖解說明本發明之實施例之態樣，但在實務上，光電二極體435及445可配置成較靠近在一起。在圖4A中，第一光電二極體435包含安置於一第一 微透鏡451下方之第一經p摻雜區域319。第二光電二極體445包含安置於第二微透鏡452下方之第二經p摻雜區域339。圖4B係根據本發明之一實施例之穿過圖4A中之線B-B'之一剖面圖解說明。第一光電二極體435及第二光電二極體445類似於光電二極體335及445，惟光電二極體之經較低n摻雜區域為相同大小除外。更具體而言，在圖4B中，第一經較低n摻雜區域415為與第二經較低n摻雜區域436相同之寬度。第一經較低n摻雜區域415及第二經較低n摻雜區域436亦可具有相同曝光面積，其中曝光面積界定為區域415及436之傳播至圖4A中之頁面中之光線將遇到之表面面積。第一經較高n摻雜區域317具有比第一經較低n摻雜區域415大之一摻雜劑濃度且第二經較高n摻雜區域337具有比第二經較低n摻雜區域436大之一摻雜劑濃度。第一經較低n摻雜區域415可具有與第二經較低n摻雜區域436相同之摻雜劑濃度。
由於光電二極體435及445係實質上相同的，因此其將具有實質上相同之電特性(包含相同全井容量)，此將使得讀出及影像處理較簡單。然而，由於其關於自影像光產生影像電荷具有類似能力，因此一第一微透鏡451安置於光電二極體435上方以增加入射於光電二極體435上之影像光之量。第一微透鏡451經光學耦合以將一第一量之影像光引導至第一光電二極體435，而第二微透鏡452經光學耦合以將比第一量少之一第二量之影像光引導至第二光電二極體445。將較多光引導至光電二極體435中有效地使得光電二極體435能夠比光電二極體445更佳地擷取低光影像資料。
圖5A係根據本發明之一實施例分別安置於第一微透鏡551及第二微透鏡552下方之一第一光電二極體435及一第二光電二極體445之一平面圖之一圖解說明。在圖5A中，一個六邊形形狀之孔徑大小調整器544安置於經p摻雜區域339與第二微透鏡552之間。圖5B係根據本發明之一實施例之穿過圖5A中之線C-C'之一剖面圖解說明。在圖5A 及圖5B中，第一微透鏡551與第二微透鏡552實質上相同且兩者經光學組態以朝向其各別光電二極體引導相同量之影像光。然而，孔徑大小調整器544限制將傳播至光電二極體445之影像光之量，從而減少在光電二極體445中產生之影像電荷並使得第一光電二極體435能夠相對較佳地擷取低光影像資料。
熟習此項技術者將理解，在適用之情況下，可組合圖3A至圖5B中之實施例。舉例而言，可藉由將區域415切換為區域315且將區域436切換為336來修改圖4A及圖4B中所圖解說明之實施例。在此實例中，第一光電二極體將由於較大經輕摻雜區域而對影像光較敏感，且第一微透鏡451亦將把較多影像光引導至第一光電二極體，從而使得第一光電二極體更佳地適於擷取低光影像資料，而第二光電二極體將相對更佳地適於擷取亮光影像資料。然而，第一及第二光電二極體之全井容量將保持實質上相同，此允許對低光及亮光信號之較不複雜影像處理。類似地，可藉由將區域415切換為區域315且將區域436切換為336來修改圖5A及5B中所圖解說明之實施例，此將使得一個光電二極體比另一光電二極體更敏感，同時仍保持光電二極體之實質上相同全井容量。
包含發明摘要中所闡述內容之對本發明之所圖解說明實施例之上文說明並非意欲係窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。雖然出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習相關技術者將認識到，可能在本發明之範疇內做出各種修改。
鑒於上文詳細說明可對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據所建立之請求項解釋原則來加以理解。
210‧‧‧高動態範圍像素/像素/影像像素
212‧‧‧讀出行
229‧‧‧共用浮動擴散部/共用浮動擴散區域
233‧‧‧轉移電晶體/第一轉移電晶體
235‧‧‧第一光電二極體/光電二極體
243‧‧‧轉移電晶體/第二轉移電晶體
245‧‧‧第二光電二極體/光電二極體
PDB‧‧‧第二光電二極體
PDL‧‧‧第一光電二極體
RST‧‧‧重設信號
SEL‧‧‧控制信號
T1B‧‧‧轉移電晶體
T1L‧‧‧轉移電晶體
T2 222‧‧‧重設電晶體
T3 224‧‧‧放大器電晶體
T4 226‧‧‧列選擇電晶體
TXB 241‧‧‧第二轉移信號/控制信號
TXL 231‧‧‧第一轉移信號/控制信號

Claims (7)

  1. 一種供在一高動態範圍影像感測器中使用之影像感測器像素，該影像感測器像素包括：一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中，該第一光電二極體包含一第一經摻雜區域、一第一經輕摻雜區域及安置於該第一經摻雜區域與該第一經輕摻雜區域之間的一第一經高摻雜區域，其中該第一經摻雜區域與該第一經輕摻雜區域及該第一經高摻雜區域相反地被摻雜，且其中該第一經高摻雜區域具有比該第一經輕摻雜區域高之一第一摻雜劑濃度，且其中該第一經摻雜區域經定位以在該第一經高摻雜區域接收到入射光之前接收該入射光；及一第二光電二極體，其安置於該半導體材料中且具有實質上等於該第一光電二極體之一第一全井容量之一第二全井容量，該第二光電二極體包含一第二經摻雜區域、具有比該第一經輕摻雜區域窄之一曝光面積之一第二經輕摻雜區域及安置於該第二經摻雜區域與該第二經輕摻雜區域之間的一第二經高摻雜區域，該第二經輕摻雜區域具有比該第二經高摻雜區域小之截面積，其中該第二經摻雜區域被摻雜為與該第一經摻雜區域相同之極性但與該第二經輕摻雜區域及該第二經高摻雜區域相反地被摻雜，且其中該第二經高摻雜區域具有比該第二經輕摻雜區域高之一第二摻雜劑濃度，該第一經高摻雜區域及該第二經高摻雜區域為實質上相同大小及形狀且具有實質上相等之摻雜劑濃度，且其中該第二經摻雜區域經定位以在該第二經高摻雜區域接收到該入射光之前接收該入射光。
  2. 如請求項1之影像感測器像素，其進一步包括：一共用浮動擴散部；一第一轉移電晶體，其安置於該半導體材料中以將第一影像電荷自該第一光電二極體轉移至該共用浮動擴散部，其中由入射於該第一光電二極體上之影像光產生該第一影像電荷；及一第二轉移電晶體，其安置於該半導體材料中以將第二影像電荷自該第二光電二極體轉移至該共用浮動擴散部，其中由入射於該第二光電二極體上之該影像光產生該第二影像電荷。
  3. 如請求項2之影像感測器像素，其中該第一轉移電晶體及該第二轉移電晶體經耦合而單獨地啟動。
  4. 如請求項2之影像感測器像素，其進一步包括安置於該半導體材料中且耦合至該共用浮動擴散部之一重設電晶體。
  5. 如請求項2之影像感測器像素，其進一步包括：一放大器電晶體，其安置於該半導體材料中且經耦合以放大該共用浮動擴散部上之一影像信號；及一選擇電晶體，其安置於該半導體材料中在該放大器電晶體與一讀出行線之間。
  6. 如請求項1之影像感測器像素，其中該第一光電二極體具有比該第二光電二極體大的對影像光之一敏感度。
  7. 如請求項1之影像感測器像素，其中該第一經輕摻雜區域具有比該第一經高摻雜區域大之截面積。
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