[发明专利]多光电二极管像素单元

说明书

提供了用于图像感测的方法和系统。在一个示例中，一种装置包括：半导体衬底，其包括接收光的光入射表面、第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管，该第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴在半导体衬底中形成堆叠结构，该堆叠结构使得第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管能够分别将光的第一分量和光的第二分量转换成第一电荷和第二电荷。该装置还包括一个或更多个电容器，该一个或更多个电容器形成在半导体衬底中，并被配置成分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。

相关申请

本专利申请要求：2017年12月6日提交的题为“PIXEL STRUCTURE WITH SEPARATEDPHOTODIODES FOR VISIBLE AND NIR SENSING”序列号为62/595,565的美国临时专利申请的优先权，2018年2月15日提交的题为“PIXEL STRUCTURE WITH VERTICALLY-STACKEDPINNED PHOTODIODES FOR VISIBLE AND NIR SENSING”序列号为62/631,426的美国临时专利申请的优先权，以及2018年7月9日提交的题为“PIXEL STRUCTURE WITH VERTICALLY-STACKED PINNED PHOTODIODES FOR VISIBLE AND NIR SENSING”序列号为62/695,458的美国临时专利申请的优先权，这些专利申请被转让给本申请的受让人，并且出于所有目的通过引用以其整体并入本文。

背景

本公开总体上涉及图像传感器，并且更具体地，涉及包括多个光电二极管的像素单元(pixel cell)。

图像传感器中典型的像素包括光电二极管，其用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。在曝光周期期间，电荷可以暂时存储在光电二极管中。为了改善噪声和暗电流性能，像素中可以包括钉扎光电二极管(pinned photodiode)，以将光子转换为电荷。像素还可以包括电容器(例如，浮置扩散(floating diffusion))，以从光电二极管收集电荷并将电荷转换成电压。场景的图像可以从像素阵列的电容器处产生的电压导出。

概述

本公开涉及图像传感器。更具体地且不受限制地，本公开涉及具有像素单元阵列的图像传感器，每个像素单元具有接收光的光入射表面，以及第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管。第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴形成堆叠结构(stack structure)，第一钉扎光电二极管比第二钉扎光电二极管更远离光入射表面。由于钉扎光电二极管在堆叠结构中的放置，第一钉扎光电二极管可以接收具有较长波长范围的光的第一分量(例如，红外光)，并将第一分量转换成第一电荷。此外，第二钉扎光电二极管可以接收具有较长波长范围的光的第二分量(例如，可见光的红色、绿色或蓝色分量之一)，并将第二分量转换成第二电荷。每个像素单元还包括一个或更多个电容器，以将第一电荷和第二电荷分别转换成第一电压和第二电压。

本公开还涉及操作包括像素单元阵列的图像传感器，以执行至少两种不同的测量模式，该像素单元阵列具有如上所述的第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管的堆叠结构。在第一测量模式中，可以通过测量在像素单元阵列的第一钉扎光电二极管处生成的第一电荷的量来执行二维(2D)成像，该第一电荷的量反映了入射到像素单元阵列上的入射可见光的强度分布。在第二测量模式中，可以基于深度感测操作来执行三维(3D)成像。可以基于测量，例如，第二电荷的量、第二电荷累积的时序等来执行深度感测操作，深度感测操作可以用于确定对象和装置之间的距离。这两种测量模式可以在同一曝光周期内执行，或者在不同的曝光周期执行，以执行2D和3D成像。