[发明专利]具有集群并行读出的堆叠背照式量子图像传感器

说明书

一些实施例提供了包括3D竖直堆叠的光电传感器阵列和读出电路的量子图像传感器(QIS)。在一些实施例中，成像阵列包括多个单比特或多比特映像点，并且读出电路与成像阵列进行电通信且被配置为针对每个映像点量化与该映像点的电信号相对应的模拟信号，其中所述成像系统被配置为3D竖直集成电路，其中成像阵列竖直堆叠在读出电路上方。成像阵列可以被配置为相对于读出电路的集群阵列，每个集群被配置为具有n×m个映像点的阵列。成像阵列可以包括设置在读出电路层下方的另一图像处理电路层。相邻层可以被实现在单独的衬底上和/或共同衬底中。

相关申请

本申请要求于2016年3月15日提交的美国临时申请No.62/308,861的权益，其通过引用整体并入本文，以用于每个PCT成员国和地区的目的，其中，这样通过引用的并入被许可或以其他方式不被禁止。

背景技术

一般来说，堆叠图像传感器已经使用了数十年。在红外图像传感器中，其中探测器层以凸块结合到读出集成电路(ROIC)的混合传感器已经用于红外成像。最近，已经形成堆叠结构，其中通过使用硅通孔(TSV)将一层(例如，晶片或管芯)与另一层(例如，晶片或管芯)互连，所述硅通孔(TSV)是通过在硅中蚀刻孔并用金属回填而制成的。还使用了其他技术。通常，对于图像传感器，最常在芯片的外围进行连接。然而，还提出了像素并行连接以实现高吞吐量。例如，使用微凸块对4个像素的组进行一次连接。(参见例如Toru Kondo、Yoshiaki Takemoto、Kenj i Kobayashi、Mltsuhlro Tsukimura、Naohiro Takazawa、Hideki Kato、Shunsuke Suzuki、Jun Aoki、Haruhisa Saito、Yuichi Gomi、SeisukeMatsuda和Yoshitaka Tadaki在于2015年6月在荷兰法尔斯举办的Proc.2015International Image Sensor Workshop中发表的“A 3D stacked CMOS imagesensor with 16Mpixel global-shutter mode using 4million interconnections”)。

量子图像传感器(QIS)是在利用缩小像素尺寸的成像中的范式转换。参见例如E.R.Fossum在于2005年6月在日本轻井泽举办的IEEE Workshop on CCDs and Adv.ImageSensors中发表的“What to do with sub-diffraction limit(SDL)pixels？-a proposalfor a gigapixel digital film sensor(DFS)”，其全部内容通过引入合并于此。QIS的各种实现方式的一些方面包括：使用子衍射极限大小的空间过采样的二进制光电探测器(称为映像点(jot))以高读出速率来对单个光电子计数，将该二进制输出表示为比特立方体(x，y，t)并处理该比特立方体以形成高动态范围图像。图1示出了这种说明性的QIS概念。

QIS可包含几千兆映像点，且速度可超过1000fps，从而产生达几Gb/s或更高的输出数据速率。例如，映像点间距可以是500nm或更小。图1描绘了说明性的QIS图像传感器系统的框图，包括映像点阵列10、行扫描器12、模拟读出电路14(例如，读出放大器和模数转换器(ADC))、数字图像处理电路16和I/O焊盘18(例如，低压差分信令(LVDS)I/O)。映像点阵列10包括M行和N列的映像点。例如，具有16∶9纵横比的千兆级映像点QIS可以实现为42000列并排且每列具有24000个映像点。

以商业上可行的高性能方式实现QIS相机应解决若干问题[2]。参见例如E.R.Fossum在于2011年7月在加拿大多伦多举办的Proc.OSA Topical Mtg.onComputational Optical Sensing and Imaging中发表的“The quanta image sensor(QIS)：concepts and challenges”，其全部内容通过引入合并于此。传统的图像传感器像素和电路技术无法解决这些挑战。