TWI674004B - 堆疊架構之低雜訊互補式金氧半影像感測器 - Google Patents

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杜立 毛
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Abstract

本發明揭示一種用於一高動態範圍(HDR)影像感測器中之像素電路，其包含安置在第一半導體晶圓中之一光電二極體及一浮動擴散。一轉移電晶體經安置在該第一半導體晶圓中且經調適以接通從而將該光電二極體中光產生之電荷載子轉移至該浮動擴散。一像素內電容器經安置在一第二半導體晶圓中。該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓堆疊且耦合至該第二半導體晶圓。一雙浮動擴散(DFD)電晶體經安置在該第一半導體晶圓中。該像素內電容器透過該DFD電晶體選擇性地耦合至該浮動擴散。該浮動擴散回應於該像素內電容器耦合至該浮動擴散而設定為低轉換增益，且回應於該像素內電容器從該浮動擴散解耦而設定為高轉換增益。

Description

堆疊架構之低雜訊互補式金氧半影像感測器
本發明大體上涉及影像感測器，且更具體而言，本發明涉及高動態範圍影像感測器。
標準影像感測器具有約60至70 dB之一有限動態範圍。但是，真實世界之亮度動態範圍大得多。自然場景之範圍通常跨90 dB及以上。為了同時擷取高光及陰影，已經在影像感測器中使用HDR技術來增大擷取之動態範圍。增大動態範圍之最常用技術係將用標準(低動態範圍)影像感測器擷取之多個曝光合併成一單一線性HDR影像，其具有遠大於一單一曝光影像之動態範圍。 最常見之HDR感測器解決方案之一者將係在一個單一影像感測器上進行多次曝光。在不同曝光積分時間或不同靈敏度(例如藉由插入中性密度濾波器)之情況下，一個影像感測器在一單一影像感測器中可具有2、3、4甚至更多次不同之曝光。使用此HDR影像感測器，在一單次拍攝中可獲得多個曝光影像。但是，相較於一正常全解析度影像感測器，使用此HDR感測器使總體影像解析度降低。例如，對於將4個不同曝光組合在一個影像感測器中之一HDR感測器，各HDR影像將僅為全解析度影像之一四分之一解析度影像。
在下列描述中，陳述許多特定細節以便提供對本發明之一通透理解。但是，一般技術者將瞭解，不需要採取特定細節來實踐本發明。在其他例項中，不詳細描述眾所周知之材料或方法以便避免混淆本發明。 貫穿本說明書之對「一項實施例」、「一實施例」、「一個實例」或「一實例」之參考意味著結合實施例或實例描述之一特定特徵、結構或特性包含在本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書出現在各種位置之片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」、「一個實例」或「一實例」不必皆指代同一實施例或實例。此外，特定特徵、結構或特性可在一或多項實施例或實例中以任何適當組合及/或子組合進行組合。特定特徵、結構或特性可包含在一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所描述功能性之其他適當組件中。另外，將瞭解，此處提供之圖係出於向一般技術者解釋之目的且附圖不必按比例繪製。 根據本發明之教示之實例描述彩色像素陣列，在該彩色像素陣列中，根據本發明之教示，各像素電路以雙轉換增益讀出以實現HDR成像。在實例中，根據本發明之教示，各像素電路在包含至少兩個半導體晶圓之一堆疊架構中實施以實現HDR成像，其中光電二極體、浮動擴散(FD)、轉移電晶體及一雙浮動擴散(DFD)電晶體安置在一第一半導體晶圓中，且一像素內電容器安置在與第一半導體晶圓堆疊並耦合至第一半導體晶圓之一第二半導體晶圓中。因此，晶圓中之一者包含像素陣列，且晶圓中之另一者為一邏輯晶圓。 在一個實例中，藉由啟用或停用將像素內電容器耦合至FD節點之DFD電晶體將像素陣列之像素電路中之轉換增益設定為高或低。憑藉此結構，高轉換增益可相當高，且低轉換增益可相當低。如將揭示，根據本發明之教示，此結構在關斷一雙浮動擴散電晶體時提供具有一小滿阱容量之高轉換增益，並在接通雙浮動擴散電晶體時提供具有一大滿阱容量之低轉換增益，甚至對於小尺寸像素亦如此。 因此，各圖框皆可以高轉換增益及低轉換增益讀出，並藉由接通或關斷雙浮動擴散電晶體而數位化地選擇使用哪一個轉換增益。如此，根據本發明之教示之彩色像素陣列可根據本發明之教示可在同一圖框中以一單一曝光或一單一積分時間同時擷取明亮物件及灰暗物件兩者。因此，高曝光時間及低曝光時間之多重曝光不再係必要的，此可帶來挑戰，此係因為多重曝光時間不會同時發生。由於根據本發明之教示之一彩色像素陣列輸出具有不同轉換增益之像素值，以每圖框輸出僅以一個積分時間產生HDR影像，因此消除鬼影及光閃爍之問題。 為繪示，圖1係繪示根據本發明之教示之包含一彩色像素陣列102之高一動態範圍(HDR)成像系統100之一個實例之一圖，其中各像素電路以雙轉換增益讀出以實現HDR成像。如在所描繪之實例中展示，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經耦合至功能邏輯106。 在一個實例中，像素陣列102係影像感測器像素電路132 (例如，P1、P2、P3、…、Pn)之一二維(2D)陣列。如繪示，各像素電路132經配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人員、位置、對象等之影像資料，該影像資料可接著用於呈現人員、位置、物件等之一2D影像。 在一個實例中，在各像素電路132 (例如，P1、P2、P3、…、Pn)已經獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料透過位元線130由讀出電路104讀出且接著轉移至功能邏輯106。在各種實例中，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果(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)而操縱影像資料。在一個實例中，讀出電路104可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所繪示)或可使用各種其他技術(未繪示)(諸如串列讀出所有像素或同時全部並行讀出所有像素)讀出影像資料。 在一個實例中，控制電路108經耦合至像素陣列102以控制像素陣列102之像素電路132之操作特性。在一個實例中，控制電路108可經耦合以產生用於控制各像素電路132之影像獲取之一全域快門信號。在實例中，全域快門信號同時啟用像素陣列102內之所有像素電路132 (例如，P1、P2、P3、…、Pn)以同時啟用像素陣列102中之所有像素電路132以在一單一獲取窗期間自各個各自光偵測器同時轉移影像電荷。 如在所描繪之實例中展示，且如將在下文進一步詳細描述，根據本發明之教示，像素陣列102之光電二極體以及浮動擴散(FD)、轉移電晶體及一雙浮動擴散(DFD)電晶體經安置在一第一半導體晶圓110中，且像素陣列102之像素內電容器、重設電晶體及列選擇電晶體經安置在與第一半導體晶圓110堆疊並耦合至第一半導體晶圓110之一第二半導體晶圓112中，兩個半導體晶圓呈一堆疊晶片架構，以實現HDR成像。換言之，在一個實例中，根據本發明之教示，第一半導體晶圓110包含像素陣列102，且第二半導體晶圓112係一邏輯晶圓。 圖2係繪示根據本發明之教示之實現HDR成像之在一堆疊架構中實施之具有雙轉換增益之一像素電路232之一個實例之一圖。應注意，像素電路232可為圖1之像素陣列102之像素電路132中之一者之一實例，且下文引用之類似命名且編號之元件類似於上文描述般耦合且起作用。如在圖2中描繪之實例中展示，像素電路232包含安置在一第一半導體晶圓210 (在圖2中亦標記為「頂部晶圓」)中之一光電二極體PD 214。在實例中，光電二極體PD 214經調適以在HDR影像感測器之一單一影像擷取之一單次曝光期間回應於入射光而光產生電荷載子。浮動擴散(FD)安置在第一半導體晶圓210中，且經耦合以接收光電二極體PD 214中光產生之電荷載子。一轉移電晶體216經安置在第一半導體晶圓210中，且耦合在光電二極體PD 214與浮動擴散218之間。轉移電晶體216經調適以回應於轉移信號TX接通及關斷從而將光電二極體PD 214中光產生之電荷載子選擇性地轉移至浮動擴散218。 一雙浮動擴散(DFD)電晶體220經安置在第一半導體晶圓210中，且耦合至浮動擴散218及一像素內電容器。像素內電容器224經安置在一第二半導體晶圓212中。在所描繪之實例中，像素內電容器224經端接至接地。在各種實例中，應注意，可用一金屬氧化物半導體(MOS)電容器、一金屬絕緣體金屬(MIM)電容器、一溝渠電容器或任何其他適當類型之電容器實施像素內電容器224。 在實例中，第一半導體晶圓210在一堆疊晶片架構中與第二半導體晶圓212堆疊且耦合至第二半導體晶圓212。因此，像素內電容器224回應於一雙浮動擴散信號DFD透過DFD電晶體220選擇性地耦合至浮動擴散218。因此，回應於像素內電容器224透過DFD電晶體220耦合至浮動擴散，將浮動擴散218設定為低轉換增益。另外，回應於透過回應於DFD信號關斷DFD電晶體220而使像素內電容器224從浮動擴散218解耦，將浮動擴散218設定為高轉換增益。 如在所描繪之實例中展示，像素電路232亦包含安置在第一半導體晶圓210中之一放大器電晶體222。在一個實例中，放大器電晶體222係一耦合源極隨耦器(SF)之場效電晶體(FET)，且因此包含耦合至浮動擴散218之一閘極端子，以在放大器電晶體222之源極端子處產生像素電路232之一輸出信號。在實例中，放大器電晶體222之汲極耦合至一AVDD電壓。 繼續圖2中描述之實例，一列選擇電晶體228經安置在第二半導體晶圓212中，並耦合至第一半導體晶圓210中之放大器電晶體222，以回應於一列選擇信號RS，將像素電路232之輸出信號從放大器電晶體222透過一通孔236選擇性地耦合至第二半導體晶圓212中之一輸出位元線230。在實例中，通孔236因此經耦合在第一半導體晶圓210與第二半導體晶圓212之間，且耦合在列選擇電晶體228與放大器電晶體222之間。在一個實例中，輸出位元線230可經耦合至包含在第二半導體晶圓中之讀出電路，例如如圖1所繪示之讀出電路104。 在圖2中描繪之實例亦繪示，一重設電晶體經安置在第二半導體晶圓212中，並透過通孔234耦合至第二半導體晶圓中之像素內電容器224及第一半導體晶圓中之DFD電晶體220。因此，通孔234經耦合在第一半導體晶圓210與第二半導體晶圓212之間，且耦合在重設電晶體226與DFD電晶體220之間。在操作中，重設電晶體226經耦合以回應於一重設信號RST選擇性地重設浮動擴散218及光電二極體PD 214。在實例中，回應於DFD信號用重設電晶體226選擇性地接通DFD電晶體220以重設浮動擴散218及光電二極體PD 214。 在一個實例中，應瞭解，第二半導體晶圓212中之像素內電容器224、列選擇電晶體228及重設電晶體226以與安置在第一半導體晶圓210中之對應像素電路之間距相同之間距配置在第二半導體晶圓212上。 圖3係繪示根據本發明之教示之實現HDR成像之在一堆疊架構中實施之具有雙轉換增益之一像素電路332之另一實例之一圖。應注意，像素電路332可為圖1之像素陣列102之像素電路132中之一者之一實例，且下文引用之類似命名且編號之元件類似於上文描述般耦合且起作用。另外，應注意，圖3之像素電路332亦與圖2之像素電路232共用許多相似點。實際上，如在圖3中描繪之實例中展示，像素電路332包含安置在一第一半導體晶圓310 (亦標記為「頂部晶圓」)中之一光電二極體PD 314。一浮動擴散(FD)經安置在第一半導體晶圓310中，且經耦合以接收光電二極體PD 314中光產生之電荷載子。在實例中，浮動擴散318亦以電容方式耦合至一升壓信號340。一轉移電晶體316經安置在第一半導體晶圓310中，且耦合在光電二極體PD 314與浮動擴散318之間。轉移電晶體3216經調適以回應於一轉移信號TX接通且關斷從而將光電二極體PD 314中光產生之電荷載子選擇性地轉移至浮動擴散318。 一雙浮動擴散(DFD)電晶體320經安置在第一半導體晶圓310中，且耦合至浮動擴散318及一像素內電容器。像素內電容器324經安置在一第二半導體晶圓312中。在所描繪之實例中，像素內電容器324亦經耦合至一脈衝驅動信號338以增大實際處理能力。在各種實例中，應注意，可用一金屬氧化物半導體(MOS)電容器、一金屬絕緣體金屬(MIM)電容器、一溝渠電容器或任何其他適當類型之電容器實施像素內電容器324。 在實例中，第一半導體晶圓310在一堆疊晶片架構中與第二半導體晶圓312堆疊且耦合至第二半導體晶圓312。因而，像素內電容器324回應於一雙浮動擴散信號DFD透過DFD電晶體320選擇性地耦合至浮動擴散318。因此，回應於像素內電容器324透過DFD電晶體320耦合至浮動擴散，將浮動擴散部318設定為低轉換增益。另外，回應於透過回應於DFD信號關斷DFD電晶體320而使像素內電容器324與浮動擴散318解耦，將浮動擴散部318設定為高轉換增益。 如在所描繪之實例中展示，像素電路332亦包含安置在第一半導體晶圓310中之一放大器電晶體322。在一個實例中，放大器電晶體322係一耦合源極隨耦器(SF)之場效電晶體(FET)，且因此包含耦合至浮動擴散318之一閘極端子，以在放大器電晶體222之源極端子處產生像素電路332之一輸出信號。在實例中，放大器電晶體322之汲極經耦合至一AVDD電壓。 繼續圖3中描述之實例，一列選擇電晶體328經安置在第二半導體晶圓312中，並耦合至第一半導體晶圓310中之放大器電晶體322，以回應於一列選擇信號RS，將像素電路332之輸出信號從放大器電晶體322透過一通孔336選擇性地耦合至第二半導體晶圓312中之一輸出位元線330。在實例中，通孔336因此經耦合在第一半導體晶圓310與第二半導體晶圓312之間，且耦合在列選擇電晶體328與放大器電晶體322之間。在一個實例中，輸出位元線330可耦合至包含在第二半導體晶圓中之讀出電路，諸如(例如)如圖1所繪示之讀出電路104。 在圖3中描繪之實例亦繪示，一重設電晶體經安置在第二半導體晶圓312中，並透過通孔334耦合至第二半導體晶圓中之像素內電容器324及第一半導體晶圓中之DFD電晶體320。因此，通孔334經耦合在第一半導體晶圓310與第二半導體晶圓312之間，且耦合在重設電晶體326與DFD電晶體320之間。在操作中，重設電晶體326經耦合以回應於一重設信號RST選擇性地重設浮動擴散318及光電二極體PD 314。在實例中，回應於DFD信號用重設電晶體326選擇性地接通DFD電晶體320以重設浮動擴散318及光電二極體PD 314。 本發明之繪示性實例之以上描述(包含摘要中之描述內容)並不意在為詳盡的或限於所揭示之精確形式。雖然在本文中出於繪示性目的描述本發明之特定實施例及實例，但在不脫離本發明之更廣闊精神及範圍之情況下，各種等效修改係可能的。 鑑於以上實施方式，可對本發明之實例做出此等修改。用於所附發明申請專利範圍中之術語不應被解釋為將本發明限制於說明書和發明申請專利範圍中揭示之特定實施例。事實上，將完全藉由所附發明申請專利範圍確定範圍，其應根據所確立之請求項解釋之教義來闡釋。本說明書及諸圖因此被視為繪示性的而非限制性的。
100‧‧‧動態範圍(HDR)成像系統
102‧‧‧彩色像素陣列
104‧‧‧讀出電路
106‧‧‧功能邏輯
108‧‧‧控制電路
110‧‧‧第一半導體晶圓
112‧‧‧第二半導體晶圓
130‧‧‧位元線
132‧‧‧影像感測器像素電路
210‧‧‧第一半導體晶圓
212‧‧‧第二半導體晶圓
214‧‧‧光電二極體PD
216‧‧‧轉移電晶體
218‧‧‧浮動擴散
220‧‧‧雙浮動擴散(DFD)電晶體
222‧‧‧放大器電晶體
224‧‧‧像素內電容器
226‧‧‧重設電晶體
228‧‧‧列選擇電晶體
230‧‧‧輸出位元線
232‧‧‧像素電路
234‧‧‧通孔
236‧‧‧通孔
310‧‧‧第一半導體晶圓
312‧‧‧第二半導體晶圓
314‧‧‧光電二極體PD
316‧‧‧轉移電晶體
318‧‧‧浮動擴散
320‧‧‧雙浮動擴散(DFD)電晶體
322‧‧‧放大器電晶體
324‧‧‧像素內電容器
326‧‧‧重設電晶體
328‧‧‧列選擇電晶體
330‧‧‧輸出位元線
332‧‧‧像素電路
334‧‧‧通孔
336‧‧‧通孔
338‧‧‧脈衝驅動信號
340‧‧‧升壓信號
C1-Cx‧‧‧行
P1-Pn‧‧‧像素
R1-Ry‧‧‧列
參考下列諸圖描述本發明之非限制性及非窮舉性實施例，其中除非另外指定，否則貫穿各個視圖，類似參考數字指代類似部分。 圖1係繪示根據本發明之教示之包含一彩色像素陣列之成像系統之一個實例之一圖，其中各像素電路矽實現高動態範圍(HDR)成像之包含一堆疊架構之一雙轉換增益電路。 圖2係繪示根據本發明之教示之實現HDR成像之具有在一堆疊架構中實施之雙轉換增益之一像素電路之一個實例之一圖。 圖3係繪示根據本發明之教示之實現HDR成像之具有在一堆疊架構中實施之雙轉換增益之一像素電路之另一實例之一圖。 貫穿附圖之若干視圖之對應參考符號指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，諸圖中之元件係出於簡明及清晰之目的繪示且不必按比例繪製。例如，諸圖中之一些元件之尺寸可相對其他元件放大來幫助改良對本發明之各種實施例之理解。同樣地，通常不描繪一商業上可行之實施例中有用或必要之常見又充分理解之元件，以便促進對本發明之此等各種實施例之一較少阻礙視圖。

Claims (21)

  1. 一種用於一高動態範圍(HDR)影像感測器中之像素電路，其包括： 一光電二極體，其經安置在一第一半導體晶圓中，該光電二極體經調適以在該HDR影像感測器之一單一影像擷取之一單次曝光期間回應於入射光而光產生電荷載子； 一浮動擴散，其經安置在該第一半導體晶圓中，且經耦合以接收該光電二極體中光產生之該等電荷載子； 一轉移電晶體，其經安置在該第一半導體晶圓中且耦合在該光電二極體與該浮動擴散之間，其中該轉移電晶體經調適以接通從而將該光電二極體中光產生之該等電荷載子轉移至該浮動擴散； 一像素內電容器，其經安置在一第二半導體晶圓中，其中該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓堆疊且耦合至該第二半導體晶圓；及 一雙浮動擴散(DFD)電晶體，其經安置在該第一半導體晶圓中且經耦合在該浮動擴散與該像素內電容器之間，其中該像素內電容器透過該DFD電晶體選擇性地耦合至該浮動擴散，其中該浮動擴散回應於該像素內電容器經耦合至該浮動擴散而設定為低轉換增益，且其中該浮動擴散回應於該像素內電容器從該浮動擴散解耦而設定為高轉換增益。
  2. 如請求項1之像素電路，其進一步包括安置在該第一半導體晶圓中之一放大器電晶體，其中該放大器電晶體具有一閘極端子，其耦合至該浮動擴散，以產生該像素電路之一輸出信號。
  3. 如請求項2之像素電路，其進一步包括一列選擇電晶體，其經安置在該第二半導體晶圓中且耦合至該放大器電晶體，以將該像素電路之該輸出信號選擇性地耦合至該第二半導體晶圓中之一輸出位元線。
  4. 如請求項3之像素電路，其進一步包括一第一通孔，其經耦合在該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓之間，且耦合在該列選擇電晶體與該放大器電晶體之間。
  5. 如請求項1之像素電路，其進一步包括一重設電晶體，其經安置在該第二半導體晶圓中且耦合至該第二半導體晶圓中之該像素內電容器及該第一半導體晶圓中之該DFD電晶體，其中該重設電晶體經耦合以回應於一重設信號選擇性地重設該浮動擴散及該光電二極體。
  6. 如請求項5之像素電路，其中用該重設電晶體選擇性地接通該DFD電晶體以重設該浮動擴散及該光電二極體。
  7. 如請求項5之像素電路，其進一步包括一第二通孔，其經耦合在該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓之間，且經耦合在該重設電晶體與該DFD電晶體之間。
  8. 如請求項1之像素電路，其中該像素內電容器經端接至接地。
  9. 如請求項1之像素電路，其中該像素內電容器經耦合至一脈衝驅動信號。
  10. 如請求項1之像素電路，其中該浮動擴散以電容方式耦合至一升壓信號。
  11. 一種高動態範圍(HDR)成像感測器系統，其包括： 像素電路之一像素陣列，其中該等像素電路中之各者包含： 一光電二極體，其經安置在一第一半導體晶圓中，該光電二極體經調適以在該HDR影像感測器系統之一單一影像擷取之一單次曝光期間回應於入射光而光產生電荷載子； 一浮動擴散，其經安置在該第一半導體晶圓中，且經耦合以接收該光電二極體中光產生之該等電荷載子； 一轉移電晶體，其經安置在該第一半導體晶圓中且耦合在該光電二極體與該浮動擴散之間，其中該轉移電晶體經調適以接通從而將該光電二極體中光產生之該等電荷載子轉移至該浮動擴散； 一像素內電容器，其經安置在一第二半導體晶圓中，其中該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓堆疊且耦合至該第二半導體晶圓；及 一雙浮動擴散(DFD)電晶體，其經安置在該第一半導體晶圓中且經耦合在該浮動擴散與該像素內電容器之間，其中該像素內電容器透過該DFD電晶體選擇性地耦合至該浮動擴散，其中該浮動擴散回應於該像素內電容器經耦合至該浮動擴散而設定為低轉換增益，且其中該浮動擴散回應於該像素內電容器從該浮動擴散解耦而設定為高轉換增益； 控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及 讀出電路，其耦合至該像素陣列以從該複數個像素讀出影像資料。
  12. 如請求項11之HDR成像感測器系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存來自該等像素電路中之各者之該影像資料之功能邏輯。
  13. 如請求項11之HDR成像感測器系統，其中該等像素電路中之各者進一步包括安置在該第一半導體晶圓中之一放大器電晶體，其中該放大器電晶體具有一閘極端子，其耦合至該浮動擴散，以產生該像素電路之一輸出信號。
  14. 如請求項13之HDR成像感測器系統，其中該等像素電路中之各者進一步包括一列選擇電晶體，其經安置在該第二半導體晶圓中且耦合至該放大器電晶體，以將該像素電路之該輸出信號選擇性地耦合至該第二半導體晶圓中之一輸出位元線。
  15. 如請求項14之HDR成像感測器系統，其中該等像素電路中之各者進一步包括一第一通孔，其耦合在該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓之間，且耦合在該列選擇電晶體與該放大器電晶體之間。
  16. 如請求項11之HDR成像感測器系統，其中該等像素電路中之各者進一步包括一重設電晶體，其經安置在該第二半導體晶圓中且耦合至該第二半導體晶圓中之該像素內電容器及該第一半導體晶圓中之該DFD電晶體，其中該重設電晶體經耦合以回應於一重設信號選擇性地重設該浮動擴散及該光電二極體。
  17. 如請求項16之HDR成像感測器系統，其中用該重設電晶體選擇性地接通該DFD電晶體以重設該浮動擴散及該光電二極體。
  18. 如請求項16之HDR成像感測器系統，其中該等像素電路中之各者進一步包括一第二通孔，其經耦合在該第一半導體晶圓與該第二半導體晶圓之間，且耦合在該重設電晶體與該DFD電晶體之間。
  19. 如請求項11之HDR成像感測器系統，其中該像素內電容器經端接至接地。
  20. 如請求項11之HDR成像感測器系統，其中該像素內電容器經耦合至一脈衝驅動信號。
  21. 如請求項11之HDR成像感測器系統，其中該浮動擴散以電容方式耦合至一升壓信號。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117577652A (zh) * 2017-06-02 2024-02-20 索尼半导体解决方案公司 固态摄像装置和电子设备
JP6976744B2 (ja) * 2017-06-29 2021-12-08 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および、移動体
TWI710125B (zh) * 2019-01-23 2020-11-11 香港商印芯科技股份有限公司 影像感測器及其像素陣列電路
US11451717B2 (en) * 2019-11-05 2022-09-20 Omnivision Technologies, Inc. Multi-cell pixel array for high dynamic range image sensors
KR20210102517A (ko) * 2020-02-10 2021-08-20 삼성전자주식회사 듀얼 컨버전 게인을 이용하여 hdr 이미지를 구현하기 위한 이미지 센서
US11527569B2 (en) * 2020-05-18 2022-12-13 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range split pixel CMOS image sensor with low color crosstalk
US11212457B2 (en) * 2020-05-28 2021-12-28 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range CMOS image sensor design
US11450696B1 (en) * 2021-04-13 2022-09-20 Omnivision Technologies, Inc. Dual floating diffusion transistor with vertical gate structure for image sensor
KR20220142737A (ko) 2021-04-15 2022-10-24 삼성전자주식회사 Dram 커패시터를 포함하는 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법
US11343450B1 (en) * 2021-05-05 2022-05-24 Omnivision Technologies, Inc. Dark current/white pixel devices and methods for lateral overflow image sensors

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201603578A (zh) * 2010-12-17 2016-01-16 豪威科技股份有限公司 具有補充電容性耦合節點之影像感測器
DE202016105510U1 (de) * 2015-10-07 2016-10-21 Semiconductor Components Industries, Llc Pixel mit Global Shutter und hohem Dynamikumfang

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8319166B2 (en) * 2006-01-18 2012-11-27 National University Corporation Shizuoka University Solid-state image pick-up device and pixel signal readout method having dual potential well, dual transfer gate electrode and dual floating-diffusion region for separately transferring and storing charges respectively
US8890047B2 (en) * 2011-09-21 2014-11-18 Aptina Imaging Corporation Stacked-chip imaging systems
CN102509730B (zh) * 2011-12-30 2013-11-20 中国科学院上海高等研究院 图像传感器制备方法
US20130256510A1 (en) * 2012-03-29 2013-10-03 Omnivision Technologies, Inc. Imaging device with floating diffusion switch
CN103730455B (zh) * 2012-10-16 2017-04-12 豪威科技股份有限公司 底部芯片上具有光敏电路元件的堆叠芯片图像传感器
US8773562B1 (en) 2013-01-31 2014-07-08 Apple Inc. Vertically stacked image sensor
US8969775B2 (en) * 2013-02-28 2015-03-03 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range pixel having a plurality of amplifier transistors
US9402039B2 (en) * 2014-01-10 2016-07-26 Omnivision Technologies, Inc. Dual conversion gain high dynamic range sensor
US9571763B2 (en) * 2014-01-10 2017-02-14 Omnivision Technologies, Inc. Split pixel high dynamic range sensor
US9344658B2 (en) * 2014-07-31 2016-05-17 Omnivision Technologies, Inc. Negative biased substrate for pixels in stacked image sensors
US9667895B2 (en) * 2015-05-08 2017-05-30 Omnivision Technologies, Inc. Stacked chip shared pixel architecture
US9819889B2 (en) * 2015-08-07 2017-11-14 Omnivision Technologies, Inc. Method and system to implement a stacked chip high dynamic range image sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201603578A (zh) * 2010-12-17 2016-01-16 豪威科技股份有限公司 具有補充電容性耦合節點之影像感測器
DE202016105510U1 (de) * 2015-10-07 2016-10-21 Semiconductor Components Industries, Llc Pixel mit Global Shutter und hohem Dynamikumfang

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