[发明专利]堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法

说明书

本发明题为“堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法”。本发明涉及一种堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及一种操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。本发明解决的技术问题是常规像素电路将电子转换成电压并使所述空穴放电，这使得难以实现高动态范围。通过本发明实现的技术效果是提供图像传感器，所述图像传感器通过积聚(收集)电子和空穴来实现高动态范围。所述图像传感器包括像素电路阵列，并且每个像素电路包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器，并且所述电荷存储电容器用于存储由高光度照明的像素中的空穴生成的信号。

技术领域

本发明涉及堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。

背景技术

电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用图像传感器通过感测光来捕获图像。典型的成像器传感器包括像素的焦平面阵列，并且每个像素包括用于在衬底的一部分中聚积光生电荷的光电传感器，诸如光电门、光电导体或光电二极管。当光子投射在光电传感器上时，生成电子空穴对。常规图像传感器将在像素内积聚(收集)的电子转换成电压，而空穴通常被丢弃到衬底中。

在完成积聚周期之后，收集到的电子电荷被转换成电压，该电压被提供给图像传感器的输出端子。在CMOS图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟信号还可在到达芯片输出之前在芯片上被转换成数字等同物。

像素利用缓冲放大器，通常为源极跟随器(SF)晶体管，以驱动通过合适的寻址晶体管连接到像素的感测线。在电荷到电压的转换完成并且所得信号从像素被转移出去之后，像素被复位以便准备聚积新的电荷。在利用浮动扩散(FD)节点作为电荷检测节点的像素中，复位通过导通复位晶体管来实现，该复位晶体管将FD节点导电地连接到电压参考，该电压参考通常为像素SF漏极节点。该步骤移除收集的电荷；然而，该步骤会生成kTC复位噪声。该kTC复位噪声通常通过相关双采样(CDS)信号处理技术从信号移除，以便实现所需的低噪声性能。

利用CDS概念的典型CMOS图像传感器通常在像素中需要三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)，其中一个用作电荷转移晶体管。然而，难以使其适应高动态范围(HDR)操作，其中必须将大量电荷存储在像素中。解决该问题的常规方法包括：向一组像素中的一些传感器行或像素分配较短的积聚时间；使用对数电荷到电压转换特性；以及将电荷存储电容器并入像素中。然而，这些常规方法并不理想，因为一者或多者可导致牺牲低光度分辨率，较短的积聚时间可导致错过一些短脉冲持续时间光源的检测；对数电荷到电压转换可导致更高的信号噪声；并且/或者由于具有占据像素中较大面积的元件，因此增加了芯片的整体尺寸。

发明内容

本发明涉及堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。

本发明解决的技术问题是常规像素电路将电子转换成电压并使空穴放电，这使得难以实现高动态范围。

根据一个方面，用于操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法包括：在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；在光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将空穴电荷转移到电容器；使用第一读出电路将电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及使用第二读出电路将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。

在一个操作中，该方法还包括：将电子生成的输出电压转换成等效的第一数字值；将空穴生成的输出电压转换成等效的第二数字值；以及组合第一数字值和第二数字值，以形成单个高动态范围数字信号。

根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其中图像传感器在将电子电荷转换成电子生成的输出电压之前，将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。