像素陣列及圖像感測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本申請(qǐng)案涉及一種像素陣列及一種圖像感測(cè)系統(tǒng)。一種像素陣列包含布置于所述像素陣列中的多個(gè)可見(jiàn)光像素。所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者包含布置于第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)可見(jiàn)光的光敏元件。所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導(dǎo)體裸片中的可見(jiàn)光讀出電路，所述第二半導(dǎo)體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導(dǎo)體裸片堆疊且耦合到所述第一半導(dǎo)體裸片。多個(gè)紅外IR像素布置于所述像素陣列中。所述多個(gè)IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)IR光的單光子雪崩光電二極管SPAD。所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導(dǎo)體裸片中的IR光讀出電路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
像素陣列及圖像感測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)例涉及三維圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)三維(3D)相機(jī)的興趣正隨著3D應(yīng)用的流行不斷在例如成像、電影、游戲、計(jì)算機(jī)、用戶(hù)接口及類(lèi)似物的應(yīng)用中增長(zhǎng)而增加。用于創(chuàng)建彩色3D圖像的典型被動(dòng)方式是使用多個(gè)相機(jī)來(lái)捕獲立體或多個(gè)圖像。使用立體圖像，可對(duì)圖像中的物體進(jìn)行三角測(cè)量以創(chuàng)建彩色3D圖像。此三角測(cè)量技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是難以使用小裝置創(chuàng)建彩色3D圖像，這是因?yàn)槊恳幌鄼C(jī)之間必須存在最小分離距離以便創(chuàng)建彩色3D圖像。另外，此技術(shù)為復(fù)雜的，且因此需要顯著的計(jì)算機(jī)處理能力以便實(shí)時(shí)地創(chuàng)建彩色3D圖像。此外，使用多個(gè)相機(jī)可增加成像系統(tǒng)的大小及成本。
[0003]對(duì)于需要實(shí)時(shí)獲取彩色3D圖像的應(yīng)用，有時(shí)利用基于光學(xué)飛行時(shí)間測(cè)量的有源深度成像系統(tǒng)。飛行時(shí)間系統(tǒng)通常采用:將光引導(dǎo)于物體處的光源，檢測(cè)從物體反射的光的傳感器，及基于光來(lái)往于物體行進(jìn)所花費(fèi)的往返時(shí)間而計(jì)算到所述物體的距離的處理單元。在典型飛行時(shí)間傳感器中，通常由于從光電檢測(cè)區(qū)到感測(cè)節(jié)點(diǎn)的高傳送效率而使用光電二極管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本申請(qǐng)案的一個(gè)實(shí)施例涉及一種像素陣列，其包括:多個(gè)可見(jiàn)光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者包含布置于第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)可見(jiàn)光的光敏元件，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導(dǎo)體裸片中的可見(jiàn)光讀出電路，所述第二半導(dǎo)體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導(dǎo)體裸片堆疊且耦合到所述第一半導(dǎo)體裸片;及多個(gè)紅外(IR)像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)IR光的單光子雪崩光電二極管(SPAD)，其中所述多個(gè)IR光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導(dǎo)體裸片中的IR光讀出電路。
[0005]本申請(qǐng)案的另一實(shí)施例涉及一種圖像感測(cè)系統(tǒng)，其包括:光源，其用于將紅外(IR)光脈沖發(fā)射到物體;像素陣列，其用于從所述物體接收可見(jiàn)光及經(jīng)反射IR光脈沖，其中所述像素陣列包含:多個(gè)可見(jiàn)光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者包含布置于第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)來(lái)自所述物體的所述可見(jiàn)光的光敏元件，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導(dǎo)體裸片中的可見(jiàn)光讀出電路，所述第二半導(dǎo)體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導(dǎo)體裸片堆疊且耦合到所述第一半導(dǎo)體裸片;及多個(gè)IR像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)來(lái)自所述物體的所述經(jīng)反射IR光脈沖來(lái)產(chǎn)生飛行時(shí)間信息的單光子雪崩光電二極管(SPAD)，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導(dǎo)體裸片中的IR光讀出電路;及控制電路，其經(jīng)耦合以控制所述像素陣列的操作且借助同步信號(hào)控制并使所述光源同步以使所述光脈沖的發(fā)射與對(duì)從所述物體反射的光子的感測(cè)的時(shí)序同步。
【附圖說(shuō)明】
[0006]參照以下圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實(shí)施例，其中除非另有規(guī)定，否則貫穿各個(gè)視圖，相同參考編號(hào)是指相同部件。
[0007]圖1是展示用于產(chǎn)生物體或場(chǎng)景的三維彩色圖像的成像系統(tǒng)的實(shí)例的示意性框圖。
[0008]圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有對(duì)應(yīng)讀出電路、控制電路及功能邏輯的彩色飛行時(shí)間像素陣列的3D彩色圖像傳感器的實(shí)例的一部分的框圖。
[0009]圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的教示安置于實(shí)例性彩色飛行時(shí)間像素陣列上方的實(shí)例性RGB-1R濾光器陣列的圖解說(shuō)明。
[0010]圖4A是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的堆疊式可見(jiàn)光像素的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0011]圖4B是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示包含淬滅元件的堆疊式芯片SPAD像素的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有堆疊式裸片的3D彩色圖像傳感器的集成電路系統(tǒng)的橫截面圖。
[0013]貫穿圖式的數(shù)個(gè)視圖，對(duì)應(yīng)參考字符指示對(duì)應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖中的元件是為簡(jiǎn)單及清晰起見(jiàn)而圖解說(shuō)明的，且未必按比例繪制。舉例來(lái)說(shuō)，為幫助改進(jìn)對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的理解，各圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對(duì)于其它元件被放大。同樣，通常不描繪在商業(yè)上可行的實(shí)施例中有用或必需的常見(jiàn)而眾所周知的元件以便促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的這些各個(gè)實(shí)施例的較不受阻礙的觀看。
【具體實(shí)施方式】
[0014]揭示一種用于使用飛行時(shí)間及深度信息獲得彩色3D圖像的設(shè)備及系統(tǒng)。在以下說(shuō)明中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施例的透徹理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)至IJ，可在不具有所述特定細(xì)節(jié)中的一者或多者的情況下或者借助其它組件、材料等來(lái)實(shí)踐本文中所描述的技術(shù)。在其它實(shí)例中，未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使特定方面模糊。
[0015]貫穿本說(shuō)明書(shū)對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的提及意指結(jié)合所述實(shí)施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，貫穿本說(shuō)明書(shū)在各個(gè)地方中出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”未必全部是指相同實(shí)施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任一適合方式組合于一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。
[0016]貫穿本說(shuō)明書(shū)，使用數(shù)個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)將呈現(xiàn)其在其所屬領(lǐng)域中的普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用的上下文將另外清晰地暗示。舉例來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“或”在包含性意義上使用(例如，如同“及/或”)，除非上下文另外清晰地指示。
[0017]圖1圖解說(shuō)明可產(chǎn)生物體或場(chǎng)景12的彩色3D圖像的實(shí)例性成像系統(tǒng)10的示意性框圖。舉例來(lái)說(shuō)，成像系統(tǒng)10可用作彩色相機(jī)用于3D手勢(shì)辨識(shí)系統(tǒng)的部分，3D手勢(shì)辨識(shí)系統(tǒng)舉例來(lái)說(shuō)可用于視頻游戲系統(tǒng)中。如圖1中所展示，成像系統(tǒng)10包含光學(xué)成像儀或相機(jī)18，光學(xué)成像儀或相機(jī)18接收并處理來(lái)自場(chǎng)景或物體12的可見(jiàn)光。在所述實(shí)例中，相機(jī)18產(chǎn)生場(chǎng)景或物體12的紅色(R)、綠色(G)及藍(lán)色(B)彩色圖像數(shù)據(jù)。如此，相機(jī)18也可被稱(chēng)為“RGB相機(jī)”。RBG像素陣列22接收可見(jiàn)光，且讀出電路24讀出可見(jiàn)圖像數(shù)據(jù)。
[0018]在所述實(shí)例中，成像系統(tǒng)10還包含紅外(IR)源14，紅外(IR)源14用IR光照射場(chǎng)景或物體12。在一個(gè)實(shí)例中，IR源14可包含用于提供IR光的IR激光器或類(lèi)似物。IR成像儀或相機(jī)16接收并處理從場(chǎng)景或物體12返回的IR光以產(chǎn)生場(chǎng)景或物體12的IR圖像數(shù)據(jù)。如此，IR像素陣列26接收IR光，且IR讀出電路28讀出IR圖像數(shù)據(jù)。
[0019]在所述實(shí)例中，來(lái)自RGB相機(jī)18及IR相機(jī)16的圖像數(shù)據(jù)的幀經(jīng)發(fā)射到圖像處理電路20，圖像處理電路20處理所接收數(shù)據(jù)以產(chǎn)生場(chǎng)景或物體12的3D彩色圖像。圖像處理電路20使用來(lái)自RGB相機(jī)18的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生彩色圖像，且使用來(lái)自IR相機(jī)16的數(shù)據(jù)來(lái)提供深度信息以便產(chǎn)生彩色3D圖像。因此，圖1的成像系統(tǒng)10包含用于產(chǎn)生彩色3D圖像的單獨(dú)RGB相機(jī)18及IR相機(jī)16。然而，應(yīng)注意，通過(guò)利用例如RGB相機(jī)18及IR相機(jī)16的多個(gè)相機(jī)，存在多組控制信號(hào)線(xiàn)及多個(gè)數(shù)據(jù)集，其導(dǎo)致成像系統(tǒng)10具有大且復(fù)雜的外觀尺寸以及相對(duì)高成本。
[0020]在一個(gè)實(shí)例中，可通過(guò)使用其中將RGB相機(jī)及IR相機(jī)組合于一單個(gè)圖像像素陣列中的成像系統(tǒng)獲得3D彩色圖像。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)例中，成像系統(tǒng)包含圖像像素陣列，所述圖像像素陣列具有多個(gè)可見(jiàn)光像素及多個(gè)硅光子雪崩二極管(SPAD)像素。在所述實(shí)例中，所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者包含用于接收光的一部分的(舉例來(lái)說(shuō))例如光電二極管的光敏元件，及用于產(chǎn)生表示光的所述所接收部分的強(qiáng)度的信號(hào)的像素支持電路。所述多個(gè)SPAD像素中的每一者包含用于檢測(cè)到物體的距離的雪崩二極管，及耦合到雪崩光電二極管的SPAD像素支持電路。光敏元件及SPAD像素的陣列安置于傳感器裸片上，且可見(jiàn)光像素及SPAD像素的像素支持電路安置于專(zhuān)用集成電路(ASIC)裸片上。傳感器裸片及ASIC裸片堆疊在一起。
[0021 ]在所述實(shí)例中，濾光器安置于所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者及所述多個(gè)SPAD像素中的每一者上面。每一濾光器使預(yù)定波長(zhǎng)帶或光的顏色通過(guò)。每一濾光器與可見(jiàn)光像素的相關(guān)聯(lián)光敏元件或SPAD像素的雪崩二極管對(duì)準(zhǔn)。濾光器中的至少一者適于使可見(jiàn)色彩帶中的波長(zhǎng)帶通過(guò)，且濾光器中的至少另外一者適于使紅外帶中的波長(zhǎng)帶通過(guò)。
[0022]為圖解說(shuō)明，圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有對(duì)應(yīng)讀出電路、控制電路及功能邏輯的飛行時(shí)間像素陣列的堆疊式3D彩色圖像傳感器200的實(shí)例的一部分的框圖。特定來(lái)說(shuō)，如所描繪實(shí)例中所圖解說(shuō)明，堆疊式3D彩色圖像傳感器200包含彩色飛行時(shí)間(TOF)像素陣列210、讀出電路220、控制電路230、功能邏輯240及IR源250。在所述實(shí)例中，IR源250發(fā)射脈沖IR光252，脈沖IR光可用于基于IR光的脈沖的飛行時(shí)間來(lái)感測(cè)到物體260的往返距離。特定來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的教示可通過(guò)測(cè)量所發(fā)射IR光脈沖252從IR源250行進(jìn)到物體260且返回到彩色TOF像素陣列210所花費(fèi)的時(shí)間的量來(lái)確定往返距離。通過(guò)確定到物體260的往返距離，可確定3D信息?？膳e例來(lái)說(shuō)在多種應(yīng)用中(例如包含于舉例來(lái)說(shuō)視頻游戲系統(tǒng)或類(lèi)似物中的3D手勢(shì)辨識(shí)系統(tǒng)中的相機(jī)的部分)使用圖2的堆疊式3D彩色圖像傳感器200。在一個(gè)實(shí)例中，IR源250可包含發(fā)射照射物體260的IR光252的IR激光器。
[0023]在圖2中的所圖解說(shuō)明的實(shí)例中，彩色TOF像素陣列210為安置于半導(dǎo)體傳感器裸片的半導(dǎo)體材料中的可見(jiàn)光像素211及SPAD像素212的二維(2D)陣列?？捎貌噬玊OF像素陣列210中的多個(gè)SPAD像素212來(lái)檢測(cè)來(lái)自物體260的經(jīng)反射IR光254以提供IR圖像數(shù)據(jù)。彩色TOF像素陣列210中的所述多個(gè)可見(jiàn)光像素211檢測(cè)來(lái)自物體260的可見(jiàn)光以提供彩色圖像數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)例中，所述多個(gè)可見(jiàn)光像素211中的每一者包含用于接收光的一部分的例如光電二極管的光敏元件，以及用于產(chǎn)生表示光的所述所接收部分的強(qiáng)度的信號(hào)的像素支持電路。所述多個(gè)SPAD像素212中的每一者包含雪崩二極管及SPAD像素支持電路。
[0024]如所描繪實(shí)例中所展示，所述多個(gè)SPAD像素212中的每一者在彩色TOF像素陣列210的半導(dǎo)體材料中的所有橫向側(cè)上被可見(jiàn)光像素211圍繞。如此，根據(jù)本發(fā)明的教示，所述多個(gè)SPAD像素212貫穿彩色TOF像素陣列210而分布于半導(dǎo)體傳感器裸片的半導(dǎo)體材料中的所述多個(gè)可見(jiàn)光像素211當(dāng)中。在一個(gè)實(shí)例中，SPAD像素212與可見(jiàn)光像素211之間的大小的比率為4比I。在另一實(shí)例中，SPAD像素212與可見(jiàn)光像素之間的大小的比率可為另一值，例如9比I。在另一實(shí)例中，SPAD像素的大小為可見(jiàn)光像素的大小的N倍大，其中N為整數(shù)。由于堆疊式3D彩色圖像傳感器200包含以堆疊式芯片方案與ASIC裸片堆疊的傳感器裸片，因此光敏元件可占據(jù)可見(jiàn)光像素211的實(shí)質(zhì)上整個(gè)區(qū)域且雪崩二極管可占據(jù)SPAD像素212的實(shí)質(zhì)上整個(gè)區(qū)域。
[0025]在所描繪實(shí)例中，控制電路230經(jīng)耦合以控制彩色TOF像素陣列210的操作，以及借助同步信號(hào)235控制并使IR源250同步來(lái)發(fā)射到物體260的IR光252的脈沖以使IR光脈沖252的發(fā)射與借助SPAD像素212對(duì)從物體260反射的光子的感測(cè)的時(shí)序同步。特定來(lái)說(shuō)，經(jīng)反射IR光254從物體260反射回到彩色TOF像素陣列210。用可見(jiàn)光像素211檢測(cè)可見(jiàn)光且用所述多個(gè)SPAD像素212檢測(cè)經(jīng)反射IR光254。
[0026]彩色圖像數(shù)據(jù)及IR圖像數(shù)據(jù)的幀通過(guò)位線(xiàn)225從彩色TOF像素陣列210傳送到包含于讀出電路220中的可見(jiàn)光讀出電路及IR光讀出電路。讀出電路220可包含放大器以放大通過(guò)位線(xiàn)225接收的信號(hào)。位線(xiàn)225可用于耦合安置于同一列上的可見(jiàn)光像素211。彩色飛行時(shí)間像素陣列210中的所述多個(gè)SPAD像素212中的每一者可耦合到其自身相應(yīng)讀出電路，所述相應(yīng)讀出電路不同于可見(jiàn)光像素211的讀出電路。由讀出電路220中的可見(jiàn)光讀出電路及IR光讀出電路讀出的信息接著可經(jīng)傳送到包含于功能邏輯240中的數(shù)字電路以存儲(chǔ)并處理從彩色TOF像素陣列210讀出的信息。在一個(gè)實(shí)例中，功能邏輯240可確定距彩色TOF像素陣列210的所述多個(gè)SPAD像素212中的每一者的飛行時(shí)間及距離信息。在一個(gè)實(shí)例中，功能邏輯240可操縱彩色圖像數(shù)據(jù)及/或IR圖像數(shù)據(jù)(例如，剪裁、旋轉(zhuǎn)、針對(duì)背景噪聲調(diào)整或類(lèi)似物)。在一個(gè)實(shí)例中，功能邏輯240可將彩色圖像數(shù)據(jù)與IR圖像數(shù)據(jù)中的飛行時(shí)間信息組合以提供彩色3D圖像。
[0027]如所提及，應(yīng)注意，圖2中所圖解說(shuō)明的3D彩色圖像傳感器200可以堆疊式芯片方案實(shí)施。舉例來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)光像素211的光敏元件與SPAD像素212的雪崩二極管的陣列可安置于傳感器裸片上?？梢?jiàn)光像素211的像素支持電路及SPAD像素212的像素支持電路以及讀出電路220、控制電路230及功能邏輯240可安置于單獨(dú)ASIC裸片上。在所述實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，傳感器裸片及ASIC裸片在制作期間以堆疊式芯片方案堆疊及耦合在一起以實(shí)施3D彩色圖像感測(cè)系統(tǒng)。
[0028]圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的教示安置于實(shí)例性彩色TOF像素陣列上方的實(shí)例性RGB-1R濾光器陣列的圖解說(shuō)明。在所描繪實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，RGB-1R濾光器陣列300安置于圖2的彩色TOF像素陣列210的一個(gè)實(shí)例上方。返回參考圖3，濾光器310中的每一濾光器310、311、312及313與可見(jiàn)光像素211的對(duì)應(yīng)下伏光敏元件對(duì)準(zhǔn)，而濾光器315與SPAD像素212的對(duì)應(yīng)下伏雪崩二極管對(duì)準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)例中，可見(jiàn)光像素211的光敏元件可與濾光器310的每一濾光器310、311、312、313為實(shí)質(zhì)上相同大小，且3?40像素212的雪崩二極管可與濾光器315為實(shí)質(zhì)上相同大小。在一個(gè)實(shí)例中，濾光器310、311、312及313為經(jīng)布置成重復(fù)圖案(舉例來(lái)說(shuō)例如拜耳(repeating)圖案或類(lèi)似物)的彩色濾光器，其中最小重復(fù)彩色濾光器單元314如所展示包含四個(gè)彩色濾光器310、311、312及313的分組。在一個(gè)實(shí)例中，重復(fù)彩色濾光器單元314的大小與濾光器315為實(shí)質(zhì)上相同大小。在一個(gè)實(shí)例中，濾光器310、311、312及313可分別為R、G、G及B彩色濾光器，從而使濾光器陣列300成為RGB-1R濾光器陣列。在一個(gè)實(shí)例中，濾光器陣列300可為CYM-1R濾光器陣列或CYGM-1R濾光器陣列或類(lèi)似物。
[0029]圖4A是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的四晶體管(4T)像素單元堆疊式芯片可見(jiàn)光像素的一個(gè)實(shí)例的示意圖。圖4A中所圖解說(shuō)明的像素電路為用于實(shí)施圖2的彩色飛行時(shí)間像素陣列210的每一可見(jiàn)光像素211的可見(jiàn)光像素電路架構(gòu)的一個(gè)可能實(shí)例。返回參考圖4A，每一可見(jiàn)光像素400包含光敏元件410(例如，光電二極管)及像素支持電路411，如所展示。光敏元件410可安置于堆疊式裸片系統(tǒng)的傳感器裸片上，而像素支持電路411可安置于ASIC裸片上。在一個(gè)實(shí)例中，像素支持電路411包含耦合到光敏元件410的轉(zhuǎn)移晶體管415、復(fù)位晶體管420、源極跟隨器(SF)晶體管425及行選擇晶體管430，如所展示。
[0030]在操作期間，在曝光周期期間光敏元件410響應(yīng)于入射光而光生電荷。轉(zhuǎn)移晶體管415經(jīng)耦合以接收轉(zhuǎn)移信號(hào)TX，轉(zhuǎn)移信號(hào)TX致使轉(zhuǎn)移晶體管415將在光電二極管410中積累的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)節(jié)點(diǎn)417。復(fù)位晶體管420耦合于電力軌VDD與浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)417之間以響應(yīng)于復(fù)位信號(hào)RST復(fù)位可見(jiàn)光像素400(例如，將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)417及光電二極管410放電或充電到預(yù)設(shè)電壓)。
[0031]浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)417經(jīng)耦合以控制源極跟隨器晶體管425的柵極端子。源極跟隨器晶體管425耦合于電力軌VDD與行選擇晶體管430之間以響應(yīng)于浮動(dòng)擴(kuò)散H)節(jié)點(diǎn)417上的電荷放大信號(hào)。行選擇晶體管430響應(yīng)于行選擇信號(hào)RS將來(lái)自源極跟隨器晶體管425的像素電路的輸出耦合到讀出列或位線(xiàn)435。
[0032]光敏元件410及浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)417通過(guò)暫時(shí)地?cái)嘌詮?fù)位信號(hào)RST及轉(zhuǎn)移信號(hào)TX而復(fù)位。積累窗(例如，曝光周期)在轉(zhuǎn)移信號(hào)TX被撤銷(xiāo)斷言時(shí)開(kāi)始，此準(zhǔn)許入射光在光敏元件410中光生電荷。隨著所光生電子在光敏元件410中積累，其電壓降低(電子為負(fù)電荷載體)。光電二極管410上的電壓或電荷表示在曝光周期期間入射于光敏元件410上的光的強(qiáng)度。在曝光周期結(jié)束時(shí)，復(fù)位信號(hào)RST被撤銷(xiāo)斷言，此關(guān)斷復(fù)位晶體管420且將浮動(dòng)擴(kuò)散H)節(jié)點(diǎn)417與VDD隔離。接著，轉(zhuǎn)移信號(hào)TX被斷言以將光敏元件410耦合到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)417。電荷通過(guò)轉(zhuǎn)移晶體管415從光敏元件410轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散FD節(jié)點(diǎn)417，此致使浮動(dòng)擴(kuò)散H)節(jié)點(diǎn)417的電壓下降與在曝光周期期間于光敏元件410上積累的所光生電子成比例的量。
[0033]圖4B是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示包含淬滅元件的堆疊式芯片SPAD像素的一個(gè)實(shí)例的示意圖。圖4B中所圖解說(shuō)明的像素電路為用于實(shí)施圖2的彩色飛行時(shí)間像素陣列210的每一 SPAD像素212的SPAD像素電路架構(gòu)的一個(gè)可能實(shí)例。返回參考圖4B，每一 SPAD像素450包含如所展示而耦合的雪崩二極管460、淬滅元件470及數(shù)字計(jì)數(shù)器480。雪崩二極管460耦合到淬滅元件470，且雪崩二極管460及淬滅元件470兩者均可安置于堆疊式裸片系統(tǒng)的傳感器裸片上，而包含于讀出電路中的數(shù)字計(jì)數(shù)器480安置于ASIC裸片上。在其它實(shí)例中，淬滅元件470可根據(jù)本發(fā)明的教示包含于傳感器裸片或ASIC裸片中。還應(yīng)了解，淬滅元件470可根據(jù)本發(fā)明的教示使用無(wú)源或有源淬滅元件來(lái)實(shí)施。
[0034]數(shù)字計(jì)數(shù)器480可使用安置于ASIC裸片上的使用堆疊式裸片系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS過(guò)程制作的CMOS電路來(lái)實(shí)施，且經(jīng)電耦合以接收由雪崩二極管460響應(yīng)于所接收光子產(chǎn)生的輸出脈沖465。數(shù)字計(jì)數(shù)器480可經(jīng)啟用以計(jì)數(shù)由雪崩二極管460在時(shí)間窗期間產(chǎn)生的輸出脈沖465的數(shù)目且輸出表示所述計(jì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)485。盡管圖4B中所描繪的實(shí)例圖解說(shuō)明包含雪崩光電二極管460及數(shù)字計(jì)數(shù)器480的像素電路之間的直接連接，但應(yīng)了解，根據(jù)本發(fā)明教示可利用包含雪崩光電二極管460及數(shù)字計(jì)數(shù)器480的像素電路之間的任何連接(包含以AC耦合方式)。在一個(gè)實(shí)例中，每一數(shù)字計(jì)數(shù)器480包含用于放大所接收輸出脈沖465的放大器。替代地或除數(shù)字計(jì)數(shù)器480以外，根據(jù)本發(fā)明的教示，可在每一像素/列/陣列中放置用于計(jì)時(shí)入射光子的到達(dá)的計(jì)時(shí)電路以確定所述光子的飛行時(shí)間及到物體的往返距離。
[0035]在操作中，每一雪崩二極管460經(jīng)由高于每一雪崩二極管460的擊穿電壓的偏置電壓Vbias而反向偏置。響應(yīng)于單個(gè)光生載流子(其響應(yīng)于入射光子而產(chǎn)生)，觸發(fā)雪崩倍增過(guò)程，所述雪崩倍增過(guò)程在每一雪崩二極管460的輸出處產(chǎn)生雪崩電流。此雪崩電流響應(yīng)于跨越淬滅元件470形成的電壓降而自淬滅，此導(dǎo)致跨越雪崩二極管460的偏置電壓下降。在雪崩電流的淬滅之后，跨越雪崩二極管460的電壓恢復(fù)到高于偏置電壓且接著雪崩二極管460準(zhǔn)備好再次被觸發(fā)。每一雪崩二極管460的所得輸出脈沖465由其相應(yīng)數(shù)字計(jì)數(shù)器480接收，數(shù)字計(jì)數(shù)器480響應(yīng)于輸出脈沖465而使其計(jì)數(shù)遞增。
[0036]在與使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS過(guò)程制作的CMOS數(shù)字計(jì)數(shù)器相同的芯片上并入SPAD的常規(guī)SPAD像素設(shè)計(jì)由于CMOS電路本身占據(jù)的面積而遭受成像平面上的減小填充因子的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明的教示，實(shí)施堆疊式芯片結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)提供成像平面上的經(jīng)改進(jìn)填充因子。
[0037]應(yīng)注意，圖4B的電路圖是出于解釋的目的而隨本文一起提供且未詳細(xì)展示一些其它電路元件(例如，例如電阻器及電容器的無(wú)源組件及例如晶體管的有源組件)以便不使本發(fā)明的教示模糊。舉例來(lái)說(shuō)，圖4B的所圖解說(shuō)明像素電路可產(chǎn)生輸出脈沖465，輸出脈沖465在被數(shù)字計(jì)數(shù)器480的輸入感測(cè)之前需要放大。在另一實(shí)例中，淬滅元件470與雪崩二極管460之間的節(jié)點(diǎn)處的連接將處于高電壓，此可需要AC耦合。
[0038]圖5是根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有堆疊式裝置裸片的3D彩色像素陣列的集成電路系統(tǒng)500的一個(gè)實(shí)例的橫截面圖。集成電路系統(tǒng)500為具有圖3的RGB-1R濾光器陣列300的圖2的彩色飛行時(shí)間像素陣列210的一個(gè)可能實(shí)施方案。舉例來(lái)說(shuō)，圖5的集成電路系統(tǒng)500可為沿著圖3的虛線(xiàn)A-A’的橫截面圖。圖5中所展示的集成電路系統(tǒng)500的所圖解說(shuō)明實(shí)例包含第一裝置裸片506、第二裝置裸片508及接合界面507，第一裝置裸片506在接合界面507處接合到第二裝置裸片508。第一裝置裸片506包含第一半導(dǎo)體層510及第一互連層512，而第二裝置裸片508包含第二半導(dǎo)體層514及第二互連層516。所圖解說(shuō)明實(shí)例展示經(jīng)布置成行及列(舉例來(lái)說(shuō)，例如也如圖2及3中所圖解說(shuō)明)的多個(gè)可見(jiàn)光像素502A、502B、502C及502D以及多個(gè)SPAD像素503A及503B。
[0039]在一個(gè)實(shí)例中，可見(jiàn)光像素502A、502B、502C及502D可分別各自包含接近第一半導(dǎo)體層510的前側(cè)511安置的光敏區(qū)或光電二極管504六、5048、504(:及5040。在一個(gè)實(shí)例中，SPAD像素503A及503B可分別各自包含接近第一半導(dǎo)體層510的前側(cè)511形成的倍增區(qū)505A及505B。在所描繪實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，光電二極管504A、504B、504C及504D以及倍增區(qū)505A及505B經(jīng)配置以通過(guò)第一半導(dǎo)體層510的背側(cè)513而被照射。
[0040]在一個(gè)實(shí)例中，第二裝置裸片508為CMOS邏輯裸片，所述CMOS邏輯裸片使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS過(guò)程而制作且包含第二半導(dǎo)體層514，第二半導(dǎo)體層514包含可見(jiàn)光讀出電路517A、517B、517C及517D以及IR光讀出電路519A及519B。在一個(gè)實(shí)例中，IR光讀出電路519A及519B包含類(lèi)似于舉例來(lái)說(shuō)圖4的數(shù)字計(jì)數(shù)器480的數(shù)字計(jì)數(shù)器。在一個(gè)實(shí)例中，混合接合通孔528包含于接合界面507處，如所展示。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)例中，可包含混合接合通孔528以將包含于第一裝置裸片506中的SPAD像素503A及503B的電壓轉(zhuǎn)移到包含于第二裝置裸片508中的IR光讀出電路519A及519B。可見(jiàn)光讀出電路517A、517B、517C及517D中的每一者可包含取樣與保持電路及模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路。如所描繪實(shí)例中所展示，可見(jiàn)光讀出電路517A、517B、517C及517D以及IR光讀出電路519A及519B接近第二半導(dǎo)體層514的前側(cè)520形成。在所圖解說(shuō)明實(shí)例中，可見(jiàn)光讀出電路517A、517B、517C及517D安置于其相應(yīng)可見(jiàn)光像素(例如，分別為502A、502B、503C及502D)內(nèi)的半導(dǎo)體層514的區(qū)中。類(lèi)似地，IR光讀出電路519A及519B安置于其相應(yīng)SPAD像素(例如，分別為503A及503B)內(nèi)的半導(dǎo)體層514的區(qū)中。在其它實(shí)例中，彩色飛行時(shí)間像素陣列內(nèi)的鄰近可見(jiàn)光像素的可見(jiàn)光讀出電路可經(jīng)分組以形成公共裸片面積。此公共裸片面積可由相鄰SPAD像素的IR光讀出電路中的數(shù)字計(jì)數(shù)器使用。
[0041]包含發(fā)明摘要中所描述內(nèi)容的對(duì)本發(fā)明的所圖解說(shuō)明實(shí)施例的以上說(shuō)明并不打算為窮盡性或?qū)⒈景l(fā)明限制于所揭示的精確形式。雖然出于說(shuō)明性目的而在本文中描述本發(fā)明的特定實(shí)施例及實(shí)例，但相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種修改。
[0042]可根據(jù)以上詳細(xì)說(shuō)明對(duì)本發(fā)明做出這些修改。所附權(quán)利要求書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)理解為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書(shū)中所揭示的特定實(shí)施例。而是，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求書(shū)來(lái)確定，所述權(quán)利要求書(shū)將根據(jù)權(quán)利要求解釋的所創(chuàng)建原則加以理解。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種像素陣列，其包括: 多個(gè)可見(jiàn)光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者包含布置于第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)可見(jiàn)光的光敏元件，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導(dǎo)體裸片中的可見(jiàn)光讀出電路，所述第二半導(dǎo)體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導(dǎo)體裸片堆疊且耦合到所述第一半導(dǎo)體裸片；及 多個(gè)紅外IR像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)IR光的單光子雪崩光電二極管SPAD，其中所述多個(gè)IR光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導(dǎo)體裸片中的IR光讀出電路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者在所述第一半導(dǎo)體裸片中的所有橫向側(cè)上被所述多個(gè)可見(jiàn)光像素圍繞。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述多個(gè)IR像素貫穿所述像素陣列而分布于所述第一半導(dǎo)體裸片中的所述多個(gè)可見(jiàn)光像素當(dāng)中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者與所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者之間的大小的比率為4比I。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素及所述多個(gè)IR像素適于通過(guò)所述第一半導(dǎo)體裸片的背側(cè)而被照射。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素以拜耳圖案布置于所述像素陣列中以提供所述彩色圖像數(shù)據(jù)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中由所述多個(gè)IR光像素提供的所述IR圖像數(shù)據(jù)提供飛行時(shí)間信息以提供三維3D圖像數(shù)據(jù)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述第一半導(dǎo)體裸片中的所述多個(gè)可見(jiàn)光像素及所述多個(gè)IR光像素通過(guò)在所述第一半導(dǎo)體裸片與所述第二半導(dǎo)體裸片之間的接合界面處的混合接合通孔而耦合到所述第二半導(dǎo)體裸片中的所述可見(jiàn)光讀出電路及所述IR光讀出電路。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述第二半導(dǎo)體裸片為專(zhuān)用集成電路ASIC裸片。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素陣列，其中所述IR光讀出電路包含多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器，所述多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器經(jīng)耦合以計(jì)數(shù)由所述多個(gè)IR像素中的每一者的每一 SPAD響應(yīng)于所接收光子產(chǎn)生的輸出脈沖。11.一種圖像感測(cè)系統(tǒng)，其包括: 光源，其用于將紅外IR光脈沖發(fā)射到物體； 像素陣列，其用于從所述物體接收可見(jiàn)光及經(jīng)反射IR光脈沖，其中所述像素陣列包含: 多個(gè)可見(jiàn)光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者包含布置于第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)來(lái)自所述物體的所述可見(jiàn)光的光敏元件，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導(dǎo)體裸片中的可見(jiàn)光讀出電路，所述第二半導(dǎo)體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導(dǎo)體裸片堆疊且耦合到所述第一半導(dǎo)體裸片;及 多個(gè)IR像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導(dǎo)體裸片中以檢測(cè)來(lái)自所述物體的所述經(jīng)反射IR光脈沖來(lái)產(chǎn)生飛行時(shí)間信息的單光子雪崩光電二極管SPAD，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導(dǎo)體裸片中的IR光讀出電路;及 控制電路，其經(jīng)耦合以控制所述像素陣列的操作且借助同步信號(hào)控制并使所述光源同步以使所述光脈沖的發(fā)射與對(duì)從所述物體反射的光子的感測(cè)的時(shí)序同步。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括功能邏輯，所述功能邏輯耦合到所述可見(jiàn)光讀出電路及所述IR光讀出電路以存儲(chǔ)并處理從所述像素陣列讀出的彩色圖像數(shù)據(jù)及所述IR圖像數(shù)據(jù)，其中所述功能邏輯經(jīng)耦合以將所述彩色圖像數(shù)據(jù)與所述IR圖像數(shù)據(jù)組合以產(chǎn)生所述飛行時(shí)間信息并提供彩色三維3D圖像。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者在所述第一半導(dǎo)體裸片中的所有橫向側(cè)上被所述多個(gè)可見(jiàn)光像素圍繞。14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)IR像素貫穿所述像素陣列而分布于所述第一半導(dǎo)體裸片中的所述多個(gè)可見(jiàn)光像素當(dāng)中。15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)IR像素中的每一者與所述多個(gè)可見(jiàn)光像素中的每一者之間的大小的比率為4比I。16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素及所述多個(gè)IR像素適于通過(guò)所述第一半導(dǎo)體裸片的背側(cè)而被照射。17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)可見(jiàn)光像素以重復(fù)圖案布置于所述像素陣列中以提供所述彩色圖像數(shù)據(jù)。18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述第一半導(dǎo)體裸片中的所述多個(gè)可見(jiàn)光像素及所述多個(gè)IR光像素通過(guò)在所述第一半導(dǎo)體裸片與所述第二半導(dǎo)體裸片之間的接合界面處的混合接合通孔而耦合到所述第二半導(dǎo)體裸片中的所述可見(jiàn)光讀出電路及所述IR光讀出電路。19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述第二半導(dǎo)體裸片為專(zhuān)用集成電路AS IC裸片。20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像感測(cè)系統(tǒng)，其中所述IR光讀出電路包含多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器，所述多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器經(jīng)耦合以計(jì)數(shù)由所述多個(gè)IR像素中的每一者的每一 SPAD響應(yīng)于所接收光子產(chǎn)生的輸出脈沖。
【文檔編號(hào)】H04N5/33GK105895645SQ201610072909
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年2月2日
【發(fā)明人】孫天佳, 王睿, 代鐵軍
【申請(qǐng)人】全視科技有限公司