本實用新型整體涉及成像系統(tǒng)，并且更具體地涉及具有全局快門功能的成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代電子設(shè)備(諸如移動電話、相機(jī)和計算機(jī))通常使用數(shù)字圖像傳感器。成像器(即，圖像傳感器)常常包括圖像感測像素的二維陣列。每個像素通常包括光傳感器，諸如光電二極管，所述光傳感器接收入射光子(入射光)并把光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

常規(guī)圖像傳感器是通過使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)或電荷耦接器件(CCD)技術(shù)在半導(dǎo)體襯底上制造而成。在CMOS圖像傳感器中，可使用卷簾快門或全局快門。在全局快門中，圖像傳感器中的每個像素均可同時捕獲圖像，而在卷簾快門中，每行像素可依次捕獲圖像。在具有全局快門的CMOS圖像傳感器中，電荷存儲區(qū)通常被并入每個像素以存儲來自光電二極管的電荷直到電荷被讀出。但是，這些像素可能無法獲取高動態(tài)范圍(HDR)圖像，這限制了圖像傳感器的功能。此外，這些像素可能無法使用相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)來獲取圖像。這可增大像素中的噪聲，并降低圖像傳感器的圖像質(zhì)量。

因此，能夠提供改善的帶全局快門功能的CMOS圖像傳感器甚為理想。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型解決的一個技術(shù)問題是使用相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)獲取高動態(tài)范圍(HDR)圖像。

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種成像像素，包括：上襯底層；下襯底層；浮動擴(kuò)散區(qū)；所述上襯底層中耦接到所述浮動擴(kuò)散區(qū)的光電二極管；插入所述上襯底層和所述下襯底層之間的互連層，所述互連層將所述上襯底層耦接到所述下襯底層；以及所述下襯底層中的第一存儲電容器。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括：耦接到所述浮動擴(kuò)散區(qū)的源極跟隨器晶體管；另一個浮動擴(kuò)散區(qū)；耦接到所述另一個浮動擴(kuò)散區(qū)的另一個源極跟隨器晶體管；以及耦接在所述源極跟隨器晶體管和所述另一個浮動擴(kuò)散區(qū)之間的采樣晶體管。

根據(jù)一個實施例，所述互連層插入所述源極跟隨器晶體管和所述采樣晶體管之間。

根據(jù)一個實施例，所述浮動擴(kuò)散區(qū)和所述源極跟隨器晶體管在所述上襯底層中形成，并且其中所述采樣晶體管、所述另一個浮動擴(kuò)散區(qū)和所述另一個源極跟隨器晶體管在所述下襯底層中形成。

在上述實施例的進(jìn)一步實施例中，所述成像像素還包括：在所述下襯底層中形成的第二存儲電容器和第三存儲電容器。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括：在所述下襯底層中形成的耦接到所述浮動擴(kuò)散區(qū)的源極跟隨器晶體管，其中所述浮動擴(kuò)散區(qū)在所述上襯底層中形成，并且其中所述互連層插入所述浮動擴(kuò)散區(qū)和所述源極跟隨器晶體管之間。

在上述實施例的進(jìn)一步實施例中，所述成像像素還包括：在所述下襯底層中形成的第二存儲電容器和第三存儲電容器。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括：在所述上襯底層中形成的耦接到所述浮動擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)移晶體管，其中所述浮動擴(kuò)散區(qū)在所述下襯底層中形成，并且其中所述互連層插入所述轉(zhuǎn)移晶體管和所述浮動擴(kuò)散區(qū)之間。

在上述實施例的進(jìn)一步實施例中，所述成像像素還包括：在所述下襯底層中形成的第二存儲電容器和第三存儲電容器。

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種成像像素，包括：第一浮動擴(kuò)散區(qū)；耦接到所述第一浮動擴(kuò)散區(qū)的光電二極管；耦接到所述第一浮動擴(kuò)散區(qū)的第一源極跟隨器晶體管；第二浮動擴(kuò)散區(qū)；耦接到所述第二浮動擴(kuò)散區(qū)的第二源極跟隨器晶體管；第一存儲電容器；第二存儲電容器；和第三存儲電容器。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括插入所述第二浮動擴(kuò)散區(qū)和所述第一源極跟隨器晶體管之間的采樣晶體管。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括：插入所述第一浮動擴(kuò)散區(qū)和第一正電源端子之間的第一重置晶體管；和插入所述第二浮動擴(kuò)散區(qū)和第二正電源端子之間的第二重置晶體管。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括：插入所述采樣晶體管和所述第一存儲電容器之間的晶體管；插入所述采樣晶體管和所述第二存儲電容器之間的晶體管；和插入所述采樣晶體管和所述第三存儲電容器之間的晶體管。

根據(jù)一個實施例，所述成像像素還包括插入輸出線和所述第二源極跟隨器晶體管之間的行選擇晶體管。

本實用新型實現(xiàn)的一個技術(shù)效果是提供可以使用相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)獲取高動態(tài)范圍(HDR)圖像的改善的CMOS圖像傳感器。

附圖說明

圖1是根據(jù)本實用新型的實施例的示例性成像系統(tǒng)的示意圖，該成像系統(tǒng)可包括具有帶全局快門的圖像像素的圖像傳感器。

圖2是根據(jù)本實用新型的實施例的示例性圖像像素的示意圖，該圖像像素使用至少一個存儲電容器用于全局快門。

圖3是根據(jù)本實用新型的實施例的示例性時序圖，用于使用像素(諸如圖2中的像素)收集圖像樣本。

圖4是根據(jù)本實用新型的實施例的示例性時序圖，用于使用像素(諸如圖2中的像素)讀出圖像樣本。

圖5是根據(jù)本實用新型的實施例的示例性步驟的流程圖，這些步驟可用于操作具有存儲電容器的像素以獲得CDS和非CDS樣本。

圖6是根據(jù)本實用新型的實施例的示例性步驟的流程圖，這些步驟可用于操作具有存儲電容器的像素以獲得多個CDS樣本。

圖7是根據(jù)本實用新型的實施例的具有多個襯底層的示例性圖像像素的示意圖，顯示了可如何在源極跟隨器晶體管和采樣晶體管之間插入互連層。

圖8是根據(jù)本實用新型的實施例的具有多個襯底層的示例性圖像像素的示意圖，顯示了可如何在源極跟隨器晶體管和浮動擴(kuò)散區(qū)之間插入互連層。

圖9是根據(jù)本實用新型的實施例的具有多個襯底層的示例性圖像像素的示意圖，顯示了可如何在轉(zhuǎn)移晶體管和浮動擴(kuò)散區(qū)之間插入互連層。

具體實施方式

電子設(shè)備中的圖像傳感器，諸如數(shù)碼相機(jī)、計算機(jī)、蜂窩電話和其他電子設(shè)備中的圖像傳感器，用于聚集傳入的圖像光以拍攝圖像。圖像傳感器可包括成像像素的陣列。圖像傳感器中的像素可包括光敏元件，諸如光電二極管，用于把傳入的圖像光轉(zhuǎn)換為圖像信號。圖像傳感器可具有任何數(shù)量(如，數(shù)百或數(shù)千或更多)的像素。典型的圖像傳感器可(例如)具有數(shù)十萬或數(shù)百萬像素(如，百萬像素)。圖像傳感器可包括控制電路，諸如用于操作成像像素的電路，以及用于讀出光敏元件生成的電荷對應(yīng)的圖像信號的讀出電路。

圖1為示例性成像系統(tǒng)的示意圖，該成像系統(tǒng)使用具有全局快門的圖像傳感器。圖1的成像系統(tǒng)10可為便攜式電子設(shè)備，諸如相機(jī)、蜂窩電話、攝像機(jī)或拍攝數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的其他成像設(shè)備。相機(jī)模塊12可用于將入射光轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。相機(jī)模塊12可包括一個或多個鏡頭14以及一個或多個對應(yīng)的圖像傳感器16。圖像傳感器16可為具有圖像像素30的陣列的圖像傳感器集成電路管芯。圖像像素30可各自包括用于控制何時在圖像像素上獲取電荷的快門元件。

在圖像拍攝操作期間，鏡頭14可將來自場景的光聚焦于圖像傳感器16中的圖像像素陣列上。圖像傳感器16可將對應(yīng)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)提供給控制電路，諸如存儲和處理電路18。

電路18可包括一個或多個集成電路(如，圖像處理電路、微處理器、存儲設(shè)備諸如隨機(jī)存取存儲器和非易失性存儲器等)，并且可使用與相機(jī)模塊12分開和/或形成相機(jī)模塊12的一部分的部件(如，形成包括圖像傳感器16的集成電路或者與圖像傳感器16相關(guān)的模塊12內(nèi)集成電路的一部分的電路)來實現(xiàn)。還可使用處理電路18進(jìn)一步處理和/或存儲已被相機(jī)模塊12捕獲的圖像數(shù)據(jù)。如果需要，已處理圖像數(shù)據(jù)可使用耦接至處理電路18的有線和/或無線通信路徑提供給外部設(shè)備(如，計算機(jī)或其他設(shè)備)。處理電路18可用于控制圖像傳感器16的操作。

圖2是示例性圖像像素30的電路圖。如圖2所示，像素30可包括光敏元件，諸如光電二極管20。可在正電源端子22和23處提供正電源電壓Vaa。入射光可在穿過濾色器結(jié)構(gòu)之后由光電二極管20收集。光電二極管20響應(yīng)于接收入射的光子而生成電荷(如電子)。由光電二極管20收集的電荷量取決于入射光的強(qiáng)度和曝光持續(xù)時間(或積聚時間)。

像素30可包括浮動擴(kuò)散區(qū)和用于使該浮動擴(kuò)散區(qū)處的電荷重置的重置晶體管。在獲取圖像之前，可接通重置晶體管26(RST1)以將電荷存儲節(jié)點28(有時稱為浮動擴(kuò)散區(qū)FD1)重置為Vaa。重置晶體管26可在FD1已重置后關(guān)斷，以允許電荷儲存在FD1中。

在光電二極管20中生成的電荷可儲存在電荷存儲區(qū)28(FD1)中。像素30可包括轉(zhuǎn)移門(晶體管)38?？山油ㄞD(zhuǎn)移晶體管38(38)以將電荷從光電二極管20轉(zhuǎn)移至浮動擴(kuò)散區(qū)28。浮動擴(kuò)散區(qū)28可以是摻雜半導(dǎo)體區(qū)域(例如，通過離子注入、雜質(zhì)擴(kuò)散或其他摻雜工藝在硅襯底中摻雜的區(qū)域)。

像素30還可包括源極跟隨器晶體管40(SF1)，該源極跟隨器晶體管在端子23處耦接至電源電壓Vaa。SF1也可耦接到采樣晶體管42(SAMP)。

像素30還可包括多個電容器，例如電容器52、54、56和58(分別是C1、C2、C3和C4)。電容器52、54、56和58可用于儲存來自FD1的電荷。每個電容器可與相應(yīng)的晶體管相關(guān)聯(lián)。例如，晶體管60(S1)可與存儲電容器52相關(guān)聯(lián)，晶體管62(S2)可與存儲電容器54相關(guān)聯(lián)，晶體管64(S3)可與存儲電容器56相關(guān)聯(lián)，晶體管66(S4)可與存儲電容器58相關(guān)聯(lián)。

可在像素30中提供另一個浮動擴(kuò)散區(qū)68(FD2)和重置晶體管70(RST2)?？蓪⒅刂镁w管70生效以使浮動擴(kuò)散區(qū)68耦接到電源端子74，從而可將FD2的電荷重置。浮動擴(kuò)散區(qū)68可以是摻雜半導(dǎo)體區(qū)域(例如，通過離子注入、雜質(zhì)擴(kuò)散或其他摻雜工藝在硅襯底中摻雜的區(qū)域)。

像素30還可包括電荷讀出電路。電荷讀出電路可包括行選擇晶體管76(RS)以及源極跟隨器晶體管78(SF2)。SF2可耦接到電源端子79。晶體管76可具有由行選擇信號控制的柵極。施加行選擇信號時，晶體管76接通，相應(yīng)的信號Vout(例如，強(qiáng)度與浮動擴(kuò)散節(jié)點68處的電荷量成正比的輸出信號)被傳遞到輸出路徑80。

在典型圖像像素陣列配置中，存在多行和多列像素30。列讀出路徑(諸如輸出線80)可與每個像素30列相關(guān)聯(lián)(例如，一列中的每個圖像像素30都可通過相關(guān)聯(lián)的行選擇晶體管76被耦接到輸出線80)?？墒┘有羞x擇信號，將來自所選圖像像素的信號Vout讀出到列讀出路徑80上。可將圖像數(shù)據(jù)Vout饋送給處理電路18，以便進(jìn)一步處理。圖2所示電路僅用于舉例說明。如果需要，像素30可包括其他像素電路。

例如，盡管未在圖2中示出，像素30可包括耦接在光電二極管20和電源端子之間的像素重置晶體管。這種像素重置晶體管可在接通時將光電二極管20重置到電源電壓，在關(guān)斷時允許光電二極管聚積光生電荷。

如果需要，還可向像素30提供額外的晶體管來實施雙轉(zhuǎn)換增益模式。具體地講，像素30可按高轉(zhuǎn)換增益模式以及按低轉(zhuǎn)換增益模式操作。如果該額外的晶體管被禁用，則像素30將置于高轉(zhuǎn)換增益模式。如果該額外的晶體管被啟用，則像素30將置于低轉(zhuǎn)換增益模式。該額外的晶體管可耦接到電容器。當(dāng)該額外的晶體管接通時，電容器可被切換為使用狀態(tài)，以向浮動擴(kuò)散FD提供額外的電容。這導(dǎo)致用于像素30的轉(zhuǎn)換增益更低。當(dāng)該額外的晶體管斷開時，電容器的附加負(fù)載被移除并且像素恢復(fù)到相對更高的像素轉(zhuǎn)換增益配置。

在圖2中，正電源端子22、23、74和79都被示為單獨(dú)的實體。應(yīng)當(dāng)指出的是，這個例子僅是示例性的。如果需要，可提供一個、兩個、三個或四個電源端子?？蓪⒁粭l以上的電線耦接到像素中的任何或全部電源端子。電源端子可各自提供相同的電源電壓，或者如果需要，它們可提供不同的電源電壓。

在像素30操作期間，電容器C1、C2、C3和C4可用于儲存來自浮動擴(kuò)散區(qū)28的電荷。當(dāng)采樣晶體管42生效時，來自浮動擴(kuò)散28的電荷可儲存在存儲電容器中。通過使與所需存儲電容器相關(guān)聯(lián)的晶體管生效，可選擇一個儲存晶體管儲存來自浮動擴(kuò)散28的電荷。例如，S1可接通，同時RST2、S2、S3和S4均斷開。在該例中，當(dāng)SAMP接通時，來自FD1的電荷可儲存在C1中。在另一個例子中，S2和SASMP可接通，同時RST2、S1、S3和S4均斷開，以在C2中儲存電荷。在又一個例子中，S3和SASMP可接通，同時RST2、S1、S2和S4均斷開，以在C3中儲存電荷。最后，S4和SASMP可接通，同時RST2、S1、S2和S3均斷開，以在C4中儲存電荷。使用此方案，來自FD1的各種電荷樣本可同時儲存在像素30中。例如，樣本可同時儲存在C1、C2、C3和C4中。

如果需要讀出儲存在存儲電容器中的電荷，可使相應(yīng)的晶體管(例如S1、S2、S3和S4)和行選擇晶體管76生效。例如，可短暫接通RST2以將FD2重置。隨后，可接通S1和RS。來自C1的電荷可從FD2采樣并通過輸出線80輸出。類似地，使S2、S3或S4單獨(dú)生效將對C2、C3或C4處的電荷進(jìn)行采樣。采樣晶體管42可在像素讀出期間關(guān)斷。

圖2所示的像素構(gòu)造提供了許多優(yōu)點。來自各種樣本的電荷可儲存在存儲電容器中。這可允許實現(xiàn)全局快門。在全局快門中，圖像傳感器中的每個像素同時聚積電荷。對于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，可隨后將電荷儲存在中間電荷存儲區(qū)，然后將其讀出。在圖2中，提供了多個中間電荷存儲區(qū)。這可允許利用全局快門獲取高動態(tài)范圍圖像(它需要至少兩個具有不同積聚時間的樣本)。

像素30的構(gòu)造還可允許利用全局快門實現(xiàn)相關(guān)雙采樣(CDS)。當(dāng)電荷存儲區(qū)被重置時(例如，當(dāng)重置晶體管RST1和RST2將FD1和FD2重置時)，可能產(chǎn)生重置噪聲(有時稱為kTC噪聲)。要克服此噪聲，可在重置后以及從光電二極管轉(zhuǎn)移電荷前對浮動擴(kuò)散區(qū)處的電荷進(jìn)行采樣?？稍趶墓怆姸O管轉(zhuǎn)移電荷后再次對浮動擴(kuò)散區(qū)處的電荷進(jìn)行采樣?？蓮牡诙蓸又禍p去第一采樣值來確定光電二極管生成了多少電荷(通過消除與入射光無關(guān)的浮動擴(kuò)散區(qū)處的電荷)。由于像素30具有多個存儲電容器，因此可使用相關(guān)雙采樣。例如，重置值可儲存在第一存儲電容器中，樣本值可儲存在第二存儲電容器中。

在圖3中示出了圖2中的像素30的操作的示例性時序圖。圖3的時序圖只是示例，并且應(yīng)當(dāng)理解，像素30可使用各種其他時序方案。

圖3的時序圖從第一積聚時間(t_int1)開始。光電二極管20可在t_int1期間以及第二積聚時間(t_int2)和第三積聚時間(t_int3)期間聚積光生電荷。在對來自光電二極管20的電荷進(jìn)行采樣之前，可通過在生效82和84處接通重置晶體管RST1和RST2來使FD1和FD2重置。這可將FD1和FD2分別耦接到電源電壓端子22和74，并確保浮動擴(kuò)散區(qū)沒有過量電荷存在。S1也可在生效88處接通。

在將FD1和FD2重置后，可對FD1處的重置水平進(jìn)行采樣。要對FD1處的重置水平進(jìn)行采樣，可在生效86處使采樣晶體管SAMP生效。由于生效86和88期間RST2、S2、S3和S4全都斷開，因此當(dāng)SAMP和S1生效時，來自FD1的電荷將儲存在C1中。

在將重置水平儲存在存儲電容器C1后，可在生效90處使重置晶體管RST2生效。同時，可在生效96處使S2生效。然后，可在生效92處使轉(zhuǎn)移晶體管(TX)接通。這將使電荷從光電二極管20轉(zhuǎn)移到FD1。生效92的末尾與t_int1的末尾和t_int2的起點重合。緊接在生效92后，F(xiàn)D1處的電荷對應(yīng)于t_int1期間在光電二極管20中聚積的電荷量?？赏ㄟ^在生效94處使采樣晶體管SAMP生效來對該值進(jìn)行采樣。由于生效94和96期間RST2、S1、S3和S4全都斷開，因此當(dāng)SAMP和S2生效時，來自FD1的電荷將儲存在C2中。

在將t_int1樣本儲存在存儲電容器C2后，可在生效98處使重置晶體管RST2生效，并且可在生效104處使S3生效。然后，可在生效100處使轉(zhuǎn)移晶體管(TX)接通。這將使電荷從光電二極管20轉(zhuǎn)移到FD1。生效100的末尾與t_int2的末尾和t_int3的起點重合。緊接在生效100后，F(xiàn)D1處的電荷對應(yīng)于t_int2期間在光電二極管20中累積的電荷量。可通過在生效102處使采樣晶體管SAMP生效來對該值進(jìn)行采樣。由于生效102和104期間RST2、S1、S2和S4全都斷開，因此當(dāng)SAMP和S3生效時，來自FD1的電荷將儲存在C3中。

在將t_int2樣本儲存在存儲電容器C3后，可在生效106處使重置晶體管RST2生效，并且可在生效112處使S4生效。然后，可在生效108處使轉(zhuǎn)移晶體管(TX)接通。這將使電荷從光電二極管20轉(zhuǎn)移到FD1。生效108的末尾與t_int3的末尾重合。緊接在生效108后，F(xiàn)D1處的電荷對應(yīng)于t_int3期間在光電二極管20中累積的電荷量?？赏ㄟ^在生效110處使采樣晶體管SAMP和晶體管S4生效來對該值進(jìn)行采樣。由于生效110和112期間RST2、S1、S2和S3全都斷開，因此當(dāng)SAMP和S4生效時，來自FD1的電荷將儲存在C4中。

在將t_int3樣本儲存在存儲電容器C4后，每個存儲電容器可具有相應(yīng)的樣本。C1可儲存重置值，C2可儲存t_int1樣本，C3可儲存t_int2樣本，C4可儲存t_int3樣本。像素30的采樣可全局地完成，這意味著圖像傳感器16中的每個像素可同時遵循圖3中的時序圖。在圖3的例子中，t_int1被示為比t_int2和t_int3長，而t_int2被示為比t_int3長。然而，該例子僅僅是例示性的。

圖4是像素30在樣本讀出期間的時序圖。像素的這部分操作不一定全局地完成。例如，有別于同時進(jìn)行，可依次讀取每行像素的樣本。如圖4所示，可在生效120處使重置晶體管RST2生效以將FD2重置。還可在生效122處使S1生效以讀出儲存在存儲電容器C1中的電荷?？稍谏?24處將FD2再次重置。還可在生效126處使S2接通以讀出儲存在存儲電容器C2中的電荷。

在讀出儲存在存儲電容器C1和C2中的電荷后，可在生效128處將FD2重置。還可在生效130處使S1生效以讀出儲存在存儲電容器C1中的電荷。可在生效132處將FD2再次重置。還可在生效134處使S3接通以讀出儲存在存儲電容器C3中的電荷。

在讀出儲存在存儲電容器C1和C2中的電荷后，可在生效136處將FD2重置。還可在生效138處使S1生效以讀出儲存在存儲電容器C1中的電荷?？稍谏?40處將FD2再次重置。還可在生效142處使S4接通以讀出儲存在存儲電容器C4中的電荷。

在生效130和138處對C1進(jìn)行采樣可幫助消除與電容器C1、C2、C3和C4的重置值相關(guān)的噪聲。在生效122之前，C1可儲存與FD1的重置水平相關(guān)的電荷(如結(jié)合圖3所述)。在生效122處對C1進(jìn)行使得能夠使用相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)來解決FD1的重置噪聲。當(dāng)在生效122處對C1進(jìn)行采樣之后，F(xiàn)D1處的重置水平不再供采樣。但是，還可能存在與電容器C1、C2、C3和C4以及FD2的重置相關(guān)的噪聲。雖然在生效130和138處對C1進(jìn)行采樣將不會解決FD1重置噪聲，但這樣采樣可有助于解決與和RST2相關(guān)的噪聲。不過，如果需要，可省略這些采樣(例如可在讀出期間省略生效128、130、136和138)。

在圖2的例子中，示出了四個存儲電容器。然而，該例子僅僅是例示性的。如果需要，像素30可具有一個存儲電容器、兩個存儲電容器、三個存儲電容器、四個存儲電容器、五個存儲電容器、六個存儲電容器、七個存儲電容器、八個存儲電容器或八個以上的存儲電容器。

在某些實施例中，只有第一個樣本(來自第一積聚時間)可針對第一浮動擴(kuò)散區(qū)的重置噪聲被修正。在這些實施例中，最長的積聚時間可首先完成。最長積聚時間可與低照度相關(guān)，因此可能對重置噪聲最為敏感。通過使最長積聚時間成為第一積聚時間，最敏感的樣本即被修正。隨后的樣本可能對重置噪聲較不敏感，所以不解決重置噪聲不會明顯影響圖像質(zhì)量。

圖3中的積聚時間的相對長度完全是例示性的。如果需要，第一積聚時間可為最短積聚時間、最長積聚時間或中等長度積聚時間。通常，每個積聚時間可具有任意所需的長度，而且這些積聚時間可以任何所需的順序排列。此外，只在第一積聚時間段對重置水平進(jìn)行采樣僅僅是例示性的。如果需要，具有四個電容器的像素可以對兩個重置值和兩個樣本值進(jìn)行采樣(例如可對兩個不同的積聚時間段及其相應(yīng)的重置值進(jìn)行采樣)。

通常，如果不考慮FD1重置噪聲，需要一個存儲電容器以便對積聚時間進(jìn)行采樣(非CDS樣本)，而考慮到重置噪聲，需要兩個存儲電容器以便對積聚時間進(jìn)行采樣(CDS樣本)?？墒褂眠@些樣本的任意組合，這僅受到像素中的電容器數(shù)量限制。例如，如果像素30包括四個電容器，則圖像傳感器可用于獲得四個非CDS樣本，或者一個CDS樣本和兩個非CDS樣本(例如圖3)，或者兩個CDS樣本。像素30可包括兩個電容器。在這些實施例中，像素30可用于獲得一個CDS樣本或兩個非CDS樣本。像素30可包括三個存儲電容器。在這些實施例中，像素30可用于獲得三個非CDS樣本，或者一個CDS樣本和一個非CDS樣本。高動態(tài)范圍(HDR)圖像需要至少兩個樣本。更多的樣本可增加圖像的動態(tài)范圍。由于需要兩個存儲電容器，CDS樣本可限制給定像素能夠采集的樣本數(shù)(可能會減少動態(tài)范圍)，但將得到噪聲較低的圖像。要成像的特定場景或者用戶對成像系統(tǒng)的偏好可決定應(yīng)該使用何種采樣方案。

圖5和圖6使出了操作圖像像素(例如圖2的圖像像素30)的例示性方法。在圖5中，流程圖展示了在存儲電容器中收集一個CDS樣本和兩個非CDS樣本的步驟。在圖5的步驟502處，光電二極管可開始在第一積聚時間(例如t_int1)內(nèi)累積電荷。在步驟504處，可將FD1重置(例如使用重置晶體管26)。將FD1處的電荷重置后，在步驟506處，可將FD1處的電荷采樣并將該電荷儲存在存儲電容器C1中。在步驟508處，可將電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到FD1。還可開始在第二積聚時間(例如t_int2)內(nèi)聚積電荷。在步驟510處，可將FD1處的電荷(其在t_int1期間在光電二極管中聚積)采樣并儲存在電容器C2中。在步驟512處，可將電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到FD1。還可開始在第三積聚時間(例如t_int3)內(nèi)聚積電荷。在步驟514處，可將FD1處的電荷(其在t_int2期間在光電二極管中聚積)采樣并儲存在電容器C3中。在步驟516處，可將電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到FD1。在步驟518處，可將FD1處的電荷(其在t_int3期間在光電二極管中聚積)采樣并儲存在電容器C4中。此方法允許收集一個CDS樣本(在電容器C1和C2中)和兩個非CDS樣本(分別在電容器C3和C4中)。

在圖6中，流程圖展示了在存儲電容器中收集兩個CDS樣本的步驟。在圖6的步驟602處，光電二極管可開始在第一積聚時間(例如t_int1)內(nèi)聚積電荷。在步驟604處，可將FD1重置(例如使用重置晶體管26)。將FD1處的電荷重置后，在步驟606處，可將FD1處的電荷采樣并將該電荷儲存在存儲電容器C1中。在步驟608處，可將電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到FD1。在步驟610處，可將FD1處的電荷采樣并將該電荷儲存在存儲電容器C2中。在步驟612處，可開始在第二積聚時間(例如t_int2)內(nèi)聚積電荷。在步驟614處，可將FD1重置(例如使用重置晶體管26)。將FD1處的電荷重置后，在步驟616處，可將FD1處的電荷采樣并將該電荷儲存在存儲電容器C1中。在步驟618處，可將電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到FD1。在步驟620處，可將FD1處的電荷采樣并將該電荷儲存在存儲電容器C4中。此方法允許收集兩個CDS樣本，一個儲存在C1和C2中，另一個儲存在C3和C4中。

光電二極管20可形成于襯底中。襯底可為晶圓，該晶圓為諸如硅的半導(dǎo)體材料層。襯底可為晶體硅或其他所需材料。光電二極管20可由n型摻雜硅形成。圍繞光電二極管20的襯底可為p型摻雜硅。在某些實施例中，光電二極管可由p型摻雜硅形成，并被n型摻雜硅圍繞。

光電二極管20可被鈍化層、濾色器層、平面化層和微鏡頭覆蓋。鈍化層和平面化層可由介電材料形成。濾色器層可為更大的濾色器陣列的一部分。例如，圖像傳感器14中的每個像素可具有單獨(dú)的濾色器層，該濾色器層屬于濾色器陣列的一部分。圖像傳感器14可包括拜耳濾色器陣列，其中陣列中的垂直和水平相鄰的濾色器為不同顏色。拜耳濾色器陣列包括紅色、綠色和藍(lán)色濾色器。單個紅色、綠色、藍(lán)色、青色、洋紅色、黃色、近紅外線、紅外線或透明濾色器可在光電二極管20上方形成。在某些實施例中，在光電二極管20上方形成的濾色器可具有色光通過的區(qū)域以及透明區(qū)域(即可見光譜光通過)。可在圖像傳感器14中的每個像素上方形成微透鏡。每個微透鏡可將光引導(dǎo)向相應(yīng)的光電二極管。

圖2的像素中的像素電路可全部在單個襯底(例如單個晶圓)上形成。但是，存儲電容器C1、C2、C3和C4可占用襯底上的空間并限制光電二極管20可占用的空間。因此，在某些實施例中，可使用兩個襯底來形成像素(例如像素30)的像素電路。襯底層可為硅晶圓或其他所需半導(dǎo)體材料。

如圖7所示，像素30中的上襯底層150可連接到下襯底層152。上襯底層150和下襯底層152可為單晶硅或任何其他所需材料?？墒褂没ミB層使上襯底層150連接到下襯底層152?；ミB層154可由金屬(例如銅)之類的導(dǎo)電材料形成。在某些實施例中，互連層可包括焊料?；ミB層也可為直通硅通孔(TSV)。

如圖7所示，互連層154可將源極跟隨器晶體管40(SF1)耦接到采樣晶體管42(SAMP)?；ミB層154可直接耦接到SF1和SAMP而不需要任何中間晶體管?；ミB層可允許光電二極管20具有比像素電路整體都在單個晶圓上的情況更大的尺寸?；ミB層154的另一個優(yōu)點是它可作為光電二極管20的反射器。當(dāng)光子通過光電二極管36時，其中一些光子可被光電二極管吸收并轉(zhuǎn)化為電荷。但是，有一些光子可通過光電二極管而未被轉(zhuǎn)化為電荷。這些光子可被互連層154反射出來并朝光電二極管向上游傳播。這增加了光子被光電二極管轉(zhuǎn)化為電荷的概率。

互連層154不一定必須位于晶體管40和42之間。例如，如圖8所示，互連層可位于FD1和SF1之間?；ミB層154可直接耦接到SF1和FD1而不需要任何中間晶體管。在另一個實施例中，互連層154可位于FD1和轉(zhuǎn)移晶體管38(TX)之間，如圖9所示?；ミB層154可直接耦接到TX和FD1而不需要任何中間晶體管。

在本實用新型的各種實施例中，成像像素可包括上襯底層、下襯底層、浮動擴(kuò)散區(qū)、上襯底層中耦接到浮動擴(kuò)散區(qū)的光電二極管、位于上下襯底層之間并使上下襯底層耦接的互連層，以及下襯底層中的第一存儲電容器。

成像像素還可包括耦接到浮動擴(kuò)散區(qū)的源極跟隨器晶體管、另一個浮動擴(kuò)散區(qū)、耦接到該另一個浮動擴(kuò)散區(qū)的另一個源極跟隨器晶體管，以及耦接在源極跟隨器晶體管和該另一個浮動擴(kuò)散區(qū)之間的采樣晶體管?；ミB層可插入源極跟隨器晶體管和采樣晶體管之間。浮動擴(kuò)散區(qū)和源極跟隨器晶體管可在上襯底層中形成，采樣晶體管、另一個浮動擴(kuò)散區(qū)和另一個源極跟隨器晶體管可在下襯底層中形成。成像像素還可包括在下襯底層中形成的第二和第三存儲電容器。

在其他實施例中，成像像素可包括在下襯底層中形成的耦接到浮動擴(kuò)散區(qū)的源極跟隨器晶體管。浮動擴(kuò)散區(qū)可在上襯底層中形成，互連層可插入浮動擴(kuò)散區(qū)和源極跟隨器晶體管之間。成像像素還可包括在下襯底層中形成的第二和第三存儲電容器。

在另一個實施例中，成像像素可包括在上襯底層中形成的耦接到浮動擴(kuò)散區(qū)的轉(zhuǎn)移晶體管。浮動擴(kuò)散區(qū)可在下襯底層中形成，互連層可插入轉(zhuǎn)移晶體管和浮動擴(kuò)散區(qū)之間。成像像素還可包括在下襯底層中形成的第二和第三存儲電容器。

在本實用新型的各種實施例中，成像像素可包括第一浮動擴(kuò)散區(qū)、耦接到第一浮動擴(kuò)散區(qū)的光電二極管、耦接到第一浮動擴(kuò)散區(qū)的第一源極跟隨器晶體管、第二浮動擴(kuò)散區(qū)、耦接到第二浮動擴(kuò)散區(qū)的第二源極跟隨器晶體管、第一存儲電容器、第二存儲電容器和第三存儲電容器。

成像像素還可包括插入第二浮動擴(kuò)散區(qū)和第一源極跟隨器晶體管之間的采樣晶體管。成像像素還可包括插入第一浮動擴(kuò)散區(qū)和第一正電源端子之間的第一重置晶體管，和插入第二浮動擴(kuò)散區(qū)和第二正電源端子之間的第二重置晶體管。成像像素還可包括插入采樣晶體管和第一存儲電容器之間的晶體管、插入采樣晶體管和第二存儲電容器之間的晶體管，和插入采樣晶體管和第三存儲電容器之間的晶體管。成像像素還可包括插入輸出線和第二源極跟隨器晶體管之間的行選擇晶體管。

在本實用新型的各種實施例中，可提供操作成像像素的方法。成像像素可包括光電二極管、浮動擴(kuò)散區(qū)、第一存儲電容器、第二存儲電容器和第三存儲電容器。所述方法可包括用光電二極管在第一時段內(nèi)聚積第一電荷量，將浮動擴(kuò)散區(qū)重置為電源電壓，在將浮動擴(kuò)散區(qū)重置為電源電壓后將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第二電荷量采樣并將第二電荷量儲存在第一存儲電容器中，將第一電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)，在將第一電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)后將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第一電荷量采樣并將第一電荷量儲存在第二存儲電容器中，用光電二極管在第二時段內(nèi)聚積第三電荷量，將第三電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)，在將第三電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)后將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第三電荷量采樣并將第三電荷量儲存在第三存儲電容器中。

在某些實施例中，成像像素還可包括第四存儲電容器。所述方法還可包括用光電二極管在第三時段內(nèi)聚積第四電荷量，將第四電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)，在將第四電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)后將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第四電荷量采樣并將第四電荷量儲存在第四存儲電容器中。所述方法還可包括在將第三電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)之前和將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第二電荷量采樣之后，將浮動擴(kuò)散區(qū)重置為電源電壓，并在將浮動擴(kuò)散區(qū)重置為電源電壓后和將第三電荷量轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散區(qū)之前，將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第四電荷量采樣并將第四電荷量儲存在第四存儲電容器中。

第一時段可比第二時段長。成像像素還可包括耦接到浮動擴(kuò)散區(qū)的第一源極跟隨器晶體管、另一個浮動擴(kuò)散區(qū)，和耦接到該另一個浮動擴(kuò)散區(qū)的第二源極跟隨器晶體管。成像像素還可包括插入第一源極跟隨器晶體管和該另一個浮動擴(kuò)散區(qū)之間的晶體管，并且將浮動擴(kuò)散區(qū)處的第一電荷量采樣并將第一電荷量儲存在第二存儲電容器中可包括接通該晶體管。

前述內(nèi)容僅是對本實用新型原理的示例性說明，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下進(jìn)行多種修改。