對圖像傳感器進行時鐘控制的方法與流程

2023-10-28 04:53:10 5

相關申請的交叉引用

本申請要求由christopherparks發明的、提交於2016年1月11日的名稱為「methodsforclockinganimagesensor」(用於對圖像傳感器進行時鐘控制的方法)的美國臨時申請no.62/277167的優先權，該申請以引用方式併入本文，並且據此要求該申請的共同主題的優先權。

背景技術：

本申請整體涉及成像系統，並且更具體地講，涉及用於耦合器件(ccd)圖像傳感器的時鐘控制方法，該時鐘控制方法改進了合併期間的水平ccd轉移速率並且提供了更好的噪聲性能。

電子設備(諸如行動電話、相機、計算機)通常包括成像系統，該成像系統進一步包括用於捕捉圖像的數字圖像傳感器。可將圖像傳感器製作成具有二維圖像像素陣列，這些圖像像素包括把入射光子(入射光)轉變為電信號的光電二極體。電子設備通常包括顯示器，用於顯示捕捉的圖像數據。

常規行間ccd成像器具有形成於釘扎層下方的多個光電二極體。在常規成像器中，光電二極體通常為半導體襯底中的n型摻雜區域。形成於光電二極體上方的釘扎層通常為p型摻雜層。形成於光電二極體上方的釘扎層通常接地並且充當光電二極體的接地。光電二極體的電勢保持恆定，只要在釘扎層上所提供的電壓恆定，並且在整個設備上無全局淨電流。

入射在成像器上的光導致光生電子積聚在n型光電二極體區域中。通過向形成於vccd上方和光電二極體與vccd之間的區域的轉移柵極施加讀出電壓(有時稱為「第三級電壓」)而將這些光生電子中的一些讀出到豎直ccd(vccd)中。

傳統上用於將光生電荷從光電二極體讀出到vccd的「第三級電壓」通常為大於7v的大電壓。隨後將光生電子從每個vccd讀出到水平ccd(hccd)，在hccd中這些光生電子隨即存儲在浮動擴散節點中，然後再被轉移到相關輸出端。

在一些常規ccd圖像傳感器中，在從相關輸出端讀出電荷之前，對電荷執行合併操作。傳統上來講，該合併僅在hccd的輸出端處在求和柵極上執行。該求和柵極具有控制信號，此控制信號具有75％的佔空比，以hccd的頻率的一半進行時鐘控制。這需要以非合併方法的頻率的兩倍對hccd進行時鐘控制，以便實現相同的輸出取樣頻率。這種傳統的合併方法僅允許兩個電荷合併在一起，並且所有電荷都必須在求和柵極中合併。由於傳統合併方法中所使用的佔空比較高，因此可從浮動擴散節點對電荷進行取樣的時間窗口(即，取樣窗口)為傳統非合併ccd讀出方法的對應取樣窗口的尺寸的一半。取樣窗口的尺寸的這種減小導致噪聲增大，並且需要更高帶寬的電子器件，這提高了系統的成本。

因此，需要一種允許電荷在ccd圖像傳感器中合併在一起，同時避免出現與上述常規技術相關的缺點的技術。

附圖說明

圖1為ccd圖像傳感器的框圖。

圖2為穿過圖1具有遮光罩的ccd的中線a-a』的橫截面側視圖。

圖3為示出了根據一個實施方案的方法的示意圖和截面圖，該方法用於在合併操作期間通過ccd圖像傳感器中的hccd和該hccd的相關輸出端來傳遞電荷，其中求和柵極以hccd時鐘頻率的一半頻率、並以50％的佔空比進行時鐘控制。

圖4為根據一個實施方案的對應於圖3示意圖的示例性時序圖。

圖5為示出了根據一個實施方案的方法的示意圖和截面圖，該方法用於在合併操作期間通過ccd圖像傳感器中的hccd和該hccd的相關輸出端來傳遞電荷，其中求和柵極以hccd時鐘頻率的三分之一頻率、並以50％的佔空比進行時鐘控制。

圖6為根據一個實施方案的對應於圖5示意圖的示例性時序圖。

具體實施方式

圖1為行間電荷耦合器件(ccd)圖像傳感器110的基本構造的示意圖。圖像傳感器110可整合至車輛安全系統(例如後視攝像頭或其他車輛安全系統)、監視系統、電子器件(例如照相機、行動電話、攝影機，或捕獲數字圖像數據的任何其他所需電子器件)。光採集單元可包括被排布成數行和數列的光電二極體120陣列。各個光電二極體120可與一個圖像像素相關，並且因此可互換地稱為「像素二極體」。濾光元件諸如濾色器、等離子體濾光器、諧振增強濾色器或任何其他過濾元件可形成於每個光電二極體120上方。透鏡元件諸如微透鏡也可形成於光電二極體120上方。外部電路24可用於向圖像傳感器110提供信號或從該圖像傳感器接收信號。例如，外部電路24可用於向圖像傳感器110內的部件提供控制信號。

圖像傳感器110中的每一列光電二極體120均可與相應的豎直ccd(vccd)130相關。在圖像傳感器110中還可提供一個或多個水平ccd(hccd)140，並且所述一個或多個水平ccd(hccd)可耦接到輸出放大器150，該輸出放大器向附加的圖像讀出和處理電路(未示出)提供圖像像素信號。在逐行掃描讀出模式下，每個光電二極體120可同時向其相應的vccd130轉移在圖像捕獲模式期間在光電二極體中所收集的一些或全部光生電荷。例如，可將來自第一列圖像傳感器110中的光電二極體120的一些或全部光生電荷轉移到第一vccd130，同時可將來自第二列圖像傳感器110中的光電二極體120的一些或全部光生電荷轉移到第二vccd130。

可通過將所有列並行地(一次一行)轉移到hccd140中來讀出vccd130中的電荷。例如，可將與和圖像傳感器中的每一列相關的所有vccd130的每一行相關的電荷朝向hccd140轉移一行。同時，可將與相鄰於hccd140的圖像傳感器110的第一行相關的電荷從vccd130轉移到hccd140。

輸出級145可包括求和柵極150、浮動擴散節點160和輸出放大器170。輸出級145可包括未示出的附加部件(例如，重置柵極、讀出節點、輸出柵極)。一旦hccd140從vccd130接收到與給定行相關的電荷，hccd140隨後即可經由求和柵極150向浮動擴散節點160連續地轉移電荷。在讀出期間，聚積在浮動擴散節點160處的電荷可被轉移到輸出放大器170(有時稱為浮動擴散放大器)。為了提高幀率，ccd圖像傳感器可具有不止一個輸出放大器(未示出)，並且每個輸出放大器可提供不同的輸出增益。在某些情況下，可在圖像傳感器110的相對側上複製hccd140(例如，用於多輸出讀出操作)。複製品hccd可與hccd140起到相同作用並且可具有相同功能。

控制電路22可用於向hccd140和輸出級145內的部件提供控制信號(例如，時鐘信號、功率信號、電壓偏移等)。控制電路22可通過路徑23從外部電路24接收控制信號。另選地，控制電路22可部分或全部地容納在外部電路24內。

為了轉移電荷包，在vccd130和hccd140區域中存在多晶矽柵極。在像素內，vccd130和hccd140區域包括一個或多個多晶矽柵極。在兩個電勢之間對這些柵極上的電壓進行時鐘控制提供了用於以鬥鏈方式轉移電荷的手段。

圖2為對於行間ccd(諸如圖像傳感器110)穿過圖1中的線a-a』的截面側視圖。遮光罩210可阻止入射光290照射柵極215併到達限定vccd235的信道注入物。遮光罩210可形成於n型注入物235(有時稱為「vccd信道235」)上方，並且可至少部分地形成於光電二極體230上方。具體地講，如圖2所示，遮光罩210可形成於合併注入物225的至少一部分上方，而該合併注入物形成於光電二極體230上方。遮光罩210可形成於柵極215上方並且可通過電介質295與柵極215分開。柵極215可至少部分地形成於p摻雜區245和p-注入物250上方。

限定vccd235的信道注入物可包括p摻雜區240和245。柵極電介質220可使柵極215與其中形成有摻雜區225-260的半導體電隔離。半導體襯底265和摻雜區225-260可統稱為「半導體」。p+釘扎注入物225可具有足夠高濃度的p型摻雜物，以在電介質220和半導體的界面處聚積空穴。該空穴聚積層可減少暗電流並且建立到圖像傳感器110的像素陣列外圍的接地連接。給定列中的像素可共享p+釘扎注入物225，並且該p+釘扎注入物可形成於圖像傳感器110的給定列中的多個光電二極體120上方。

光生電子可被收集在光電二極體230中。深p-區260可在光電二極體230與n襯底265之間建立垂直溢流漏極。在強光的情況下，來自光電二極體230的過量電荷載流子可流入襯底中而不是溢出到vccd信道235中。p型注入物240和245可在vccd信道235與光電二極體230之間提供隔離。p-注入物250和n注入物255可設定光電二極體230與vccd信道235之間的轉移柵極電勢。

通過在柵極215上施加正電壓來將收集在光電二極體230中的光生電子轉移到vccd信道235。對於行間ccd，該電壓通常大於7v。

圖3的示意圖示出了一種用於在合併操作期間經由hccd處的ccd圖像傳感器和輸出級傳遞電荷的方法。具體地講，圖3示出了一種用於在hccd讀出期間在ccd圖像傳感器的hccd上將每兩個相鄰電荷合併在一起的方法。截面圖300示出了hccd和輸出級(例如，圖1所示的hccd140和輸出級145)的橫截面圖。如橫截面300所示，柵極302、304、306、308、310和312可以是hccd的一部分(例如，圖1所示的hccd140)，並且可將電荷經由柵極314以鬥鏈方式傳遞到求和柵極316。輸出柵極318可插置在求和柵極316與浮動擴散節點320之間。浮動擴散節點320可插置在輸出柵極318與重置柵極322之間。浮動擴散節點320可經由輸出柵極318從求和柵極316接收電荷。重置柵極322可插置在浮動擴散節點320與重置漏極324之間。浮動擴散節點320可耦接到輸出放大器(例如，圖1所示的輸出放大器170)。輸出放大器可以例如是浮動擴散放大器、浮動柵極放大器或任何其他類型的電荷感測放大器。

柵極302、304、310和312可接收控制信號h1(本文中有時稱為時鐘信號h1)。柵極306和308可接收控制信號h2(本文中有時稱為時鐘信號h2)。信號h1和h2可為互補時鐘信號(例如，當信號h1較高時，信號h2較低，反之亦然)，以實現鬥鏈樣式的電荷轉移。柵極314和求和柵極316可接收控制信號hsum(本文中有時稱為時鐘信號hsum)。輸出柵極318可接收控制信號og，或也可在柵極的製造期間被任選地設定至靜態電勢值。浮動擴散節點320上的電壓可由信號fd表示。重置柵極322可接收控制信號rg。重置漏極節點324可被設定至靜態電勢。

示意圖350示出了讀出過程中在各個時刻相對於沿橫截面圖300的位置(x)的能級(v)。在時間t1時，可分別向柵極304和312提供電荷326和328，同時使信號h1保持在高電壓以將柵極302、304、310和312設定在高電勢，並且同時使信號h2和hsum保持在低電壓以將柵極308、306、314和求和柵極316設定在低電勢。時間t1可對應於ccd圖像傳感器的水平回掃周期(即，線轉移周期)。應當指出的是，每當信號hsum、h1、h2和rg處於高電壓電平時，其對應柵極處於高電位，反之亦然。可向圖3中未示出的沿著hccd的額外柵極提供其他電荷。在時間t2時，可使信號h2保持為高電壓，同時使信號h1和hsum保持為低電壓，以使得電荷326從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。在時間t3時，可使信號h1保持為高電壓，同時使信號h2和hsum保持為低電壓，以使得電荷326可從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312，由此合併電荷326和328。同樣在時間t3-時，電荷330可從相鄰hccd柵極(未示出)經由柵極302傳遞到柵極304。在時間t4時，可使信號h1保持為低電壓，並且可使信號h2和hsum保持為高電壓，以使得電荷328和326從柵極312經由柵極314傳遞到求和柵極316，並且使得電荷330可從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。同樣在時間t4時，可在時鐘過渡後馬上對信號rg施加脈衝使其變高，以使得浮動擴散節點320上的任何電荷經由重置柵極322轉移到重置漏極節點324(即，使得浮動擴散節點上的電荷被移除，並且浮動擴散節點重置到重置漏極電壓)。在時間t5時，可使信號h2保持為低電壓，同時使信號h1和hsum保持為高電壓，以使得電荷330從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312。同樣在時間t-5時，電荷332可從相鄰hccd柵極經由柵極302傳遞到柵極304。在時間t6時，可使信號h2保持為高電壓，同時使信號h1和hsum保持為低電壓，以使得電荷326和328經由輸出柵極318傳遞到浮動擴散節點320。同樣在時間t6時，電荷332可從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。在時間t7時，可使信號h1保持為高電壓，同時使信號h2和hsum保持為低電壓，以使得電荷332從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312，由此合併電荷330和332。同樣在時間t7時，電荷334可從相鄰hccd像素通過柵極302傳遞到柵極304。應當指出的是，本文所述的電荷實際上在柵極下方的矽區中移動，並且並不移動穿過柵極本身。此電荷轉移和合併過程可按照上述方式重複進行，直到hccd上的每個電荷均被讀出，此時可將更多電荷從vccd饋送到hccd中。

圖4的時序圖結合圖3的橫截面300和示意圖350示出了信號h1、h2、hsum、rg和fd相對於時間(t)的電壓(v)。如圖4所示，信號h1和h2可以是從高到低不斷交替的互補信號。信號hsum可具有50％的佔空比，並且其頻率可為信號h1和h2的頻率的一半。信號rg可在每隔三個時間段開始時(例如，在時間t4、t8、t12開始時)受到脈衝，以便經由重置柵極322向重置漏極324轉移電荷，從而從浮動擴散節點320移除電荷。當電荷存在於浮動擴散節點320上時(例如，在時間t6、t-7、t10、t11時等)，信號fd可處於低電壓電平。當電荷不存在於浮動擴散節點320上時(例如，在時間t5時)，信號fd可處於中間電壓電平。當重置柵極322被脈衝為高電壓時，在浮動擴散節點320上存在對應的電容性饋通脈衝。如圖4所示，信號h1、h2、hsum和rg的時序可以每四個時間段重複一次，直到hccd上的每個電荷均已被讀出。例如，信號h1、h2、hsum和rg從時間t4至t7的時序可與信號h1、h2、hsum和rg從t8至t11的時序相同。

圖5的示意圖示出了用於在合併操作期間經由hccd處的ccd圖像傳感器和輸出級傳遞電荷的另一種方法。具體地講，圖5所示的實施方案提出了一種用於在hccd讀出期間在ccd圖像傳感器的hccd上將每三個相鄰電荷合併在一起的方法。

示意圖550示出了讀出過程中在各個時刻相對於沿橫截面圖500的位置(x)的能級(v)。在時間t1時，可分別向柵極304和312提供電荷526和528，同時信號h1保持為高電壓，並且同時信號h2和hsum保持為低電壓。時間t1可對應於ccd圖像傳感器的水平回掃周期(即，線轉移周期)。可向圖5中未示出的沿著hccd的額外柵極提供其他電荷。在時間t2時，可使信號h2保持為高電壓，同時使信號h1和hsum保持為低電壓，以使得電荷526從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。在時間t3時，可使信號h1保持為高電壓，同時使信號h2和hsum保持為低電壓，以使得電荷526可從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312，由此合併電荷526和528。同樣在時間t3-時，電荷530可從相鄰hccd柵極(未示出)經由柵極302傳遞到柵極304。在時間t4時，可使信號h1保持為低電壓，並且可使信號h2和hsum保持為高電壓，以使得電荷528和526從柵極312經由柵極314傳遞到求和柵極316，並且使得電荷530可從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。同樣在時間t4時，可在時鐘過渡後馬上對信號rg施加脈衝使其變高，以使得浮動擴散節點320上的任何電荷經由重置柵極322轉移到重置漏極節點324(即，使得電荷被移除，並且浮動擴散節點重置到重置漏極電壓)。在時間t5時，可使信號h2保持為低電壓，同時使信號h1和hsum保持為高電壓，以使得電荷530從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312。同樣在時間t-5時，電荷532可從相鄰hccd柵極經由柵極302傳遞到柵極304。在時間t6時，可使信號h1保持為低電壓，同時使信號h2和hsum保持為高電壓，以使得電荷530從柵極312經由柵極314傳遞到求和柵極316，由此合併電荷530與電荷528和526。同樣在時間t6時，電荷532可從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。在時間t7時，可使信號h1保持為高電壓，同時使信號h2和hsum保持為低電壓，以使得電荷526、528和530從求和柵極316經由輸出柵極318傳遞到浮動擴散節點320。同樣在時間t7時，電荷532可從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312，並且電荷534可從相鄰hccd像素經由柵極302傳遞到柵極304。在時間t8時，可使信號h2保持為高電壓，同時使信號h1和hsum保持為低電壓，以使得電荷534從柵極304經由柵極306傳遞到柵極308。在時間t9時，可使信號h1保持為高電壓，同時使信號h1和hsum保持為低電壓，以使得電荷534從柵極308經由柵極310傳遞到柵極312。同樣在時間t9時，電荷536可從相鄰hccd柵極經由柵極302傳遞到柵極304。應當指出的是，本文所述的電荷實際上在柵極下方的矽區中移動，並且並不移動穿過柵極本身。此電荷轉移和合併過程可按照上述方式重複進行，直到hccd上的每個電荷均被讀出，此時可將更多電荷從vccd饋送到hccd中。

圖6的時序圖結合圖5的橫截面300和示意圖350示出了信號h1、h2、hsum、rg和fd相對於時間(t)的電壓(v)。如圖6所示，信號h1和h2可以是從高到低不斷交替的互補信號。信號hsum可具有50％的佔空比，並且其頻率可為信號h1和h2的頻率的三分之一。信號rg可在始於時間t4-的每隔五個時間段開始時(例如，在時間t4、t10、t16開始時)受到脈衝，以將浮動擴散節點320上的電荷經由重置柵極322移除到重置漏極節點324。當電荷存在於浮動擴散節點320上時(例如，在時間t7、t8、t9、t13、t14、t15時等)，信號fd可處於低電壓電平。當電荷不存在於浮動擴散節點320上時(例如，在時間t5時)，信號fd可處於中間電壓電平。當重置柵極322被脈衝為高時，在浮動擴散節點320上存在對應的電容性饋通脈衝。信號h1、h2、hsum和rg的時序可以每六個時間段重複一次，直到hccd上的每個電荷均已被讀出。例如，信號h1、h2、hsum和rg從時間t4至t9的時序可與信號h1、h2、hsum和rg從t10至t15的時序相同。

圖3至圖6的合併方法可用於單色ccd圖像傳感器以改進低光條件下的圖像檢測。另選地，這些合併方法可在用於低光條件下的彩色ccd圖像傳感器。例如，來自彩色ccd圖像傳感器中單個拜耳濾色器單元的四個信號可合併在一起，以便在檢測到非常低的光信號時形成單個單色信號，從而允許用戶以單色模式選擇性地成像。應當指出的是，圖3至圖6的合併方法並非限於行間ccd圖像傳感器，而是也可用於全幀轉移ccd圖像傳感器、線性ccd圖像傳感器、延時集成ccd圖像傳感器或任何其他兼容的ccd圖像傳感器。

經由輸出柵極318轉移電荷的能力和輸出放大器的壓擺率是當前ccd技術的ccd讀出頻率的限制因素。因此，時鐘信號hsum的頻率應為常數(例如，20mhz)，而時鐘信號h1和h2的頻率可基於將要合併在一起的相鄰電荷的所需數量而被調整為hsum時鐘頻率的倍數。合併在一起的相鄰電荷的數量可對應於將h1/h2時鐘頻率所設定為的hsum時鐘頻率的倍數。例如，在圖3和圖4的實施方案中，h1/h2時鐘頻率可以是hsum時鐘頻率的兩倍，以使得每兩個相鄰電荷先被合併在一起，再被讀出。當h1/h2時鐘頻率是hsum時鐘頻率的兩倍時，合併可發生在柵極312處。在圖5和圖6的實施方案中，h1/h2時鐘頻率可以是hsum時鐘頻率的三倍，以使得每三個相鄰電荷先被合併在一起，再被讀出。當h1/h2時鐘頻率是hsum時鐘頻率的兩倍以上時，合併可發生在求和柵極316處。如果需要，可將h1/h2時鐘頻率設定為hccd的操作頻率範圍內的hsum時鐘頻率的任意倍數。

已描述了各種實施方案，示出用於在ccd圖像傳感器中合併電荷的方法和設備。一種用於在電荷耦合器件(ccd)圖像傳感器中合併電荷的方法可包括：利用控制電路向hccd內的第一元件子組提供第一hccd控制信號，其中第一hccd控制信號具有第一頻率；利用所述控制電路向hccd內的第二元件子組提供第二hccd控制信號，其中第二hccd控制信號具有第一頻率；以及利用所述控制電路向ccd的輸出級中的求和元件提供求和控制信號，其中所述求和控制信號具有佔空比基本上為50％的第二頻率，並且其中第一頻率為第二頻率的倍數。第二hccd控制信號可與第一hccd控制信號180度異相。第一元件子組和第二元件子組中的每個元件均可包括柵極。第二元件子組中的每個元件可插置在第二元件子組中的元件之間。求和元件可耦接到hccd。求和元件可包括求和。求和柵極可經由輸出柵極耦接到浮動擴散節點。浮動擴散節點可耦接到浮動擴散放大器。

在一些實施方案中，第一頻率可以是第二頻率的兩倍。該方法還可包括在hccd中相鄰於求和元件的元件處將電荷合併在一起。

在一些實施方案中，第一頻率可以是第二頻率的三倍。所述方法還可包括在求和元件的求和柵極處將電荷合併在一起。

一種用於在具有水平ccd(hccd)的電荷耦合器件(ccd)圖像傳感器中合併電荷的方法可包括：利用控制電路向hccd的第一組元件提供第一時鐘信號，其中第一時鐘信號以第一頻率擺動；利用所述控制電路向hccd的第二組元件提供第二時鐘信號，其中第二時鐘信號以第一頻率擺動，並且其中第一和第二時鐘信號為互補信號；以及利用所述控制電路向求和元件提供求和時鐘信號，其中所述求和時鐘信號以不同於所述第一頻率的第二頻率擺動，並且其中所述求和時鐘信號具有基本上為50％的佔空比。第一頻率可以是第二頻率的倍數。所述方法還可包括在ccd圖像傳感器中將多個相鄰電荷合併在一起，並且通過放大器讀出合併後的電荷，其中合併在一起的相鄰電荷的數量取決於第一頻率與第二頻率之比。

在一些實施方案中，第一頻率可以是第二頻率的兩倍。將多個相鄰電荷合併在一起還可包括在hccd處將每兩個相鄰電荷合併在一起。

在一些實施方案中，第一頻率可以是第二頻率的三倍。將多個相鄰電荷合併在一起還可包括在求和元件處將每三個相鄰電荷合併在一起。

電荷耦合器件(ccd)圖像傳感器可包括：水平ccd(hccd)；耦接至hccd的輸出級；以及耦接至hccd和輸出級二者的控制電路，其中控制電路可被配置為以第一頻率向hccd提供第一和第二互補控制信號，並且以第二頻率向輸出級提供求和信號。第一頻率可以是第二頻率的倍數。輸出級可包括：求和元件，該求和元件從控制電路接收求和信號並且耦接至hccd；輸出柵極，該輸出柵極耦接至求和元件；浮動擴散節點，其中輸出柵極耦接在求和元件與浮動擴散節點之間；重置柵極，該重置柵極耦接至浮動擴散節點；以及浮動柵極放大器，該浮動柵極放大器耦接至浮動擴散節點。

在一些實施方案中，第一頻率可以是第二頻率的兩倍。hccd中的每兩個相鄰電荷可先在hccd內被合併在一起，再被讀出。

在一些實施方案中，第一頻率可以是第二頻率的三倍。hccd中的每三個相鄰電荷可先在求和元件內被合併在一起，再被讀出。

前述內容僅是對本發明原理的示例性說明，因此本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和範圍的前提下進行多種修改。上述實施方案可單獨地或以任意組合方式實施。