[发明专利]具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器

说明书

本发明涉及具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器。本发明公开了可在卷帘快门扫描模式下操作的成像像素。在第一芯片上生成的电荷信号可电容耦接至第二芯片上的信号处理电路。电容器可被放置在信号路径中，所述信号路径提供耦接在所述芯片之间的信号，并且存储来自已暴露于高光级照明下的像素的溢出电荷。这使得仅使用单次电荷积聚时间就实现高动态范围成为可能。像素可包括像素内负反馈放大器。可在每个像素处将所述第一芯片和所述第二芯片之间的芯片间电连接实现为具有每像素单个接合的混合接合。使用该技术制造的图像传感器可具有小尺寸像素、高分辨率、高动态范围和单次电荷积聚时间。

技术领域

本申请要求2016年3月17日提交的Jaroslav Hynecek发明的名称为“ImageSensors with a Rolling Shutter Scanning Mode and High Dynamic Range”(具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器)的美国临时申请No.62/309835的优先权，该临时申请以引用的方式并入本文中，并且据此要求其对共同主题的优先权。

背景技术

本发明整体涉及成像系统，更具体地讲，涉及具有背照式像素的成像系统。

现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。成像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素包括接收入射光子(光)并将光子转变为电信号的光敏元件。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。

一些常规图像传感器或许能够在高动态范围(HDR)模式下工作。通常在图像传感器中通过为交替的像素行分配不同的积聚时间来实现HDR操作。然而，将两个不同的积聚时间分配至图像传感器阵列中的不同行通常会损失分辨率。另外，可能难以使用该方法获得非常高的动态范围(例如100dB或更多)。

因此，希望能够提供在图像传感器中改善的高动态范围操作。

附图说明

图1是根据本发明实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。

图2是根据本发明实施方案的具有多个接合在一起的衬底的图像传感器的透视图。

图3是根据本发明实施方案的示例性成像像素的简化电路图，其中来自第一芯片的信号电容耦接到位于第二芯片上的像素电路，并且浮动扩散区和重置晶体管位于第一芯片中。

图4是根据本发明实施方案的示例性成像像素的简化电路图，其中来自第一芯片的信号电容耦接到位于第二芯片上的像素电路，并且重置晶体管位于第二芯片中。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及具有背照式像素的图像传感器。具体地，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列可包括背照式像素。图像传感器阵列可在具有高动态范围(HDR)的卷帘快门(RS)扫描模式下工作。CMOS图像传感器阵列可包括具有钉扎光电二极管的像素和对应的电荷感测和扫描机构。可通过与反相像素内增益放大器输入节点的电容耦接连接来转移和感测来自钉扎光电二极管的低光级照明信号。图像传感器可使用堆叠芯片来实施。例如，钉扎光电二极管可形成于第一芯片内，而像素内增益放大器输入节点则可位于第二芯片内。来自钉扎光电二极管的高光级照明信号可溢出一定的预定势垒，位于电荷转移栅极下。高光级照明信号可存储在与为低光级照明信号提供连接至放大器的相同电容器上。可通过独立的源极跟随器放大器感测高光级照明信号。源极跟随器放大器还可位于第二芯片上。

使用前述像素可使图像传感器能够在HDR模式下工作，而同时又对阵列中的每个像素采用相同积聚时间长度。在暴露于通常会使像素饱和的高光级照明下的像素中产生的电荷被漏出并积聚在像素电荷溢出电容器上，所述像素电荷溢出电容器可存储与像素的钉扎光电二极管相比多得多的电荷。因此，可从相同的像素中分别读取低光级照明信号和高光级照明信号。这确保在不损失分辨率或噪声性能的情况下维持高动态范围(例如100dB或更多)。对低光级照明的高灵敏度也得以保持。